6.3. Функциональные узлы рлс

6.3.1. Передатчик.

Согласно структурной схеме (рис.2.29) передатчик судовой навигационной РЛС состоит из генератора сверхвысокой частоты (СВЧ), импульсного модулятора и источника питания.

Рис.2.29. Структурная схема радиолокационного передатчика

Передатчик вырабатывает мощные кратковременные импульсы СВЧ, момент излучения которых строго согласован с началом радиально-круговой развертки в ИКО. По схеме исполнения генератор СВЧ является мощным генератором с самовозбуждением. В диапазоне частот, на которых работают судовые РЛС (сантиметровые и миллиметровые волны) в качестве генераторов СВЧ применяются магнетронные генераторы.

Магнетронный генератор.

В состав магнетронного генератора входят: магнетрон, трансформатор накала и система охлаждения анода магнетрона (вентилятор).

Магнетрон представляет собой двухэлектродный вакуумный прибор, выполненный как единое целое с резонансной системой в виде объемных резонаторов, работа которых рассматривалась в курсе основ радиотехники. Устройство такого магнетрона показано на рис.2.30.

Рис. 2.30. Устройство магнетрона

Основой конструкции магнетрона является анодный блок 1 в виде массивного медного цилиндра, в котором выточено по ок­ружности четное число пазов, представляющих собой цилиндри­ческие резонаторы 2.

В центре блока расположен цилиндрический оксидный подо­гревной катод 10, имеющий значительный диаметр для получения достаточного эмиссионного тока. Резонаторы сообщаются с вну­тренней полостью магнетрона, называемой пространством взаи­модействия, с помощью прямоугольных пазов 9. Катод укреплен внутри магнетрона с помощью держателей 12, которые служат одновременно выводами тока 11. Держатели проходят через сте­клянные спаи в цилиндрических трубках, укрепленных на фланце. Имеющиеся на фланце утолщения выполняют роль высокочастот­ного дросселя, препятствующего выходу высокочастотной энер­гии через выводы накала. С обеих сторон катода расположены охранные диски 4, препятствующие утечке электронов из прост­ранства взаимодействия в торцовые области магнетрона. С торцо­вой стороны анодного блока имеются связки-проводники 3, сое­диняющие сегменты анодного блока.

Для охлаждения магнетрона на его наружной поверхности имеются ребра, обдуваемые вентилятором. Для удобства охлаж­дения, безопасности обслуживания и облегчения отвода высоко­частотной энергии анодный блок заземляется, а к катоду прикладываются импульсы высокого напряжения отрицательной полярности.

С внешней нагрузкой магнетрон связан посредством проволочной медной петли 8, кото­рая одним концом припаяна к стенке одного из резонаторов, а другим -присоединена к внутреннему проводу 7 короткой коакси­альной линии, проходящему через стеклянный спай 6 в волновод 5. Колебания сверхвысокой частоты в магнетроне возбуждаются электронным потоком, управляемым постоянным электрическим и магнитным полями, направленными взаимно перпендикулярно друг другу.

Магнитное поле создается внешним постоянным магнитом, силовые линии которого действуют вдоль оси катода и анода, электрическое – за счет подачи на анод высокого (до 7…14 кВ) постоянного напряжения. Накал катода производится переменным напряжением 6,3 вольта от отдельного низковольтного трансформатора Т источника питания (см. рис.2.31).Анод магнетрона 1, являющийся корпусом прибора, заземляется. Поэтому выводы катода 10 так же, как и низковольтного трансформатора накала катода тщательно изолируются от корпуса.

Рис.2.31.Схема включения магнетронного генератора.

Спица"

При работе магнетрона анод разогревается попадающими на него электронами, поэтому во избежание перегрева магнетрон должен обдуваться вентилятором. Для предотвращения выхода магнетрона из строя при подаче на него высокого напряжения с модулятора, напряжение накала катода снижают примерно до 4 вольт за счет включения в первичную обмотку накального трансформатора гасящего резистора. Импульсный анодный ток магнетрона протекает по цепи от зажима «+» модулятора через анод – катод магнетрона на отрицательный зажим модулятора.

32. Принцип работы магнетрона

Физические процессы, протекающие в магнетроне можно пояснить с помощью рис.2.32.

При отсутствии магнитного поля под действием электрического поля электроны, вылетевшие с катода, летели бы прямолинейно к аноду (траектория 1 на рис. 2.32, б). При наличии магнитного поля на движущиеся электроны действует сила

F = evВ, (1.17)

Где: е — заряд электрона;

v —скорость электрона;

В — магнитная индукция.

Действие силы F искривляет траектории полета электронов (траектории 2, 3, 4 на рис. 2.32,6). Индукция магнитного поля Вкр, при которой электроны пролетают в непосредственной близо­сти от анода, не попадая на него, называется критической. Магне­троны работают при индукции, несколько превышающей критиче­скую. В результате одновременного действия электрического и магнитного полей в пространстве между анодом и катодом форми­руется вращающийся пространственный заряд (закрученное элек­тронное облако).

Для объяснения механизма генерации колебаний необходимо учесть взаимодействие электронов, теперь уже движущихся попе­рек щелей, с переменным электрическим полем, появляющимся между стенками щелевых отверстий объемных резонаторов при возбуждении в них электромагнитных колебаний. Последние воз­никают как собственные затухающие колебания резонаторов в момент подачи анодного питания. Задача состоит в том, чтобы возникшие колебания поддержать, сделав их незатухающими.

На рис. 2.32,в показано распределение переменного электриче­ского поля Е ~ в щелях объемных резонаторов для одного полу­периода колебаний. Для обеспечения устойчивой работы магнетро­на соседние резонаторы должны работать со сдвигом по фазе на 180°. Это достигается применением колец связи или чередованием разнорезонаторных систем. Группа электронов, пролетающая в данный момент под щелью 11, будет испытывать тормозящее дей­ствие поля резонатора. Их кинетическая энергия отдается полю резонатора, идет восполнение потерь энергии. Примерно такая же группа электронов под щелью резонатора ///, наоборот, ускоряет­ся, а следовательно, потребляет энергию. На первый взгляд, об­щий баланс энергий нулевой. Однако если учесть, что замедляемые электроны вследствие притяжения положительным в данный мо­мент сегментом анода пролетают ближе к щели резонатора и интенсивно взаимодействуют с его полем, а ускоряемые электроны отталкиваются отрицательным сегментом, пролетают дальше от щели и их взаимодействие с полем резонатора менее интенсивно, общий баланс энергий оказывается в пользу поддержания колеба­ний. В результате неодинакового взаимодействия электронов с электрическими полями соседних резонаторов в электронном об­лаке формируются спицы и вмятины. Количество спиц в 2 раза меньше количества резонаторов. Число резонаторов должно быть четным.

Для нормальной работы магнетрона необходимо выполнить еще и условие синхронизма между высокочастотным полем и дви­жущимся электронным потоком. Выбором значения анодного на­пряжения и индукции магнитного поля достигается такая частота вращения электронного облака, что время пролета электронов меж­ду двумя соседними щелями будет равно половине периода собст­венных колебаний резонаторов. В этом случае в следующий полу­период спица вновь окажется под тормозящей щелью, чем и обес­печивается незатухающий характер колебаний.

Модулятор передатчика.

Импульсный модулятор передатчика предназначен для управления колебаниями генератора СВЧ. Модулятор вырабатывает мощные высоковольтные импульсы приближенно прямоугольной формы заданной длительности, рис.2.32. Под воздействием этих импульсов анод магнетрона вырабатывает импульсы СВЧ, излучаемые антенной. Для обеспечения нормальной работы магнетрона и устранения нежелательных колебаний в нем длительность фронта модулирующего импульса должна быть в пределах tф = (0,1…0,2) τи, где τи – длительность импульса

Рис. 2.32. Модулирующий импульс.

Длительность спада импульса может быть несколько больше, в пределах τс = (0,2…0,3) τи.

Особенно высокие требования предъяв­ляются к стабильности напряжения модулирующего импульса. Относительный спад модулирующего импульса ΔU/U max не должен превышать 1…2%.

Полярность модулирующих импульсов для магнетронных ге­нераторов должна быть отрицательной относительно земли (кор­пуса). Объясняется это тем, что анод магнетрона заземляется.

Принцип действия импульсных модуляторов основан на мед­ленном накоплении запаса энергии в специальном накопителе в промежутке времени, между импульсами с последующей быстрой отдачей энергии нагрузке модулятора, т. е. магнетронному генера­тору, за короткий промежуток времени, равный длительности импульса.

Структурная схема импульсного модулятора изображена на рис.2.33. Она содержит в своем составе следующие основные эле­менты: источник питания (высоковольтный выпрямитель), огра­ничитель, накопитель энергии, коммутирующий прибор К. и нагрузку в виде генератора СВЧ. Когда коммути­рующий прибор разомкнут, накопитель заряжается от высоко­вольтного выпрямителя через ограничитель и шунтирующий нагрузку элемент.

В момент замыкания коммутирующего прибора происходит разряд накопителя на нагрузку (магнетронный генератор), вслед­ствие чего на зажимах нагрузки возникает импульс напряжения заданной длительности.

.С энергетической точки зрения импульсный модулятор явля­ется трансформатором мощности, так как энергия запасается в накопителе в течение длительного промежутка времени Ти – τи между импульсами, а отдается нагрузке в течение длительности импульса τи.

Рис.2.33. Структурная схема импульсного модулятора.

Накопители могут быть емкостными , индуктивными или комбинированными на основе накопительных длинных линий из LC элементов. В модуляторах судовых навигационных РЛС наиболее широкое распространение получили схемы с накопительным конденсатором и схемы на длинных линиях. Широкое применение имеют магнитные модуляторы, где накопление энергии осуществляется с помощью цепей, содержащих как конденсаторы, так и нелинейные катушки индуктивности с магнитными сердечниками. Упрощенная схема модулятора с накопительным конденсатором приведена на рисунке 2.34.

Рис. 2.34.Схема модулятора Рис. 2.35. Графики процессов в

схеме модулятора

с накопительным конденсатором.

Схема содержит накопительный конденсатор C (накопитель), ограничительный резистор Rо (накопитель), коммутирующий (модуляторный) тиристор D (ключ), резистор R (шунтирующий элемент) и нагрузку в виде магнетрона М (генератор СВЧ). Схема питается от высоковольтного выпрямителя « +Е». График процессов в схеме показан на рис. 2.35. В интервале между импульсами, поступающими на вход модулятора Uвх, тиристор D закрыт и накопительный конденсатор C заряжается от высоковольтного выпрямителя E через резисторы Ro и R до уровня U1 (см.рис.2.35, б). При поступлении через разделительный конденсатор Cр на управляющий электрод тиристора D импульса τи тиристор открывается, его сопротивление резко падает, создавая цепь разряда конденсатора C через резистор R и магнетрон M. В первоначальный момент пока напряжение на магнетроне не достигнет величины Uо разрядный ток протекает только через резистор R. При достижении на магнетроне порогового уровня Uо (см. 2.35, в), магнетрон переходит в режим генерации СВЧ колебаний и с этого момента основная составляющая разрядного тока потечет через магнетрон, т.к. в режиме генерации его внутреннее сопротивление примерно в 10…20 раз меньше сопротивления резистора R. При этом напряжение на магнетроне быстро увеличивается от пороговой величины до рабочего значения Uа. С окончанием импульса τи на управляющем электроде тиристор закрывается, и разряд конденсатора C прекращается. Однако из-за паразитных емкостей монтажа схемы ток через магнетрон прекратится не сразу, а через время, определяемое длительностью спада tc, (см.рис.2.35,в). При большой паразитной емкости монтажа и межэлектродной емкости магнетрона длительность спада tс может достигать нескольких микросекунд. При такой большой длительности спада магнетрон может генерировать спектр низковольтных колебаний или создавать большие шумы, которые могут снизить на некоторое время чувствительность

Рис..2.36. Схема модулятора с шунтирующей индуктивностью.

приемника, от чего может увеличиться минимальная дальность РЛС. Для снижения длительности спада tс совершенствуют технологию монтажа, например, применяют безвыводные компоненты поверхностного монтажа (КПМ), а также вводят в схему корректирующие элементы: вместо шунтирующего резистора ставят индуктивности и диод, как показано на схеме рис. 2.36. Общий принцип работы схемы с шунтирующей катушкой аналогичен работе схемы с шунтирующим резистором. Необходимо только отметить, что к моменту поступления на вход тиристора D1 запускающего импульса ток через катушку индуктивности отсутствует, т.к. накопительный конденсатор C заряжен. Поэтому сразу после открытия тиристора ток разряда конденсатора через катушку не потечет, величина порогового напряжения Uо, определяющего начало генерации магнетрона, достигнет своего значения раньше, чем в схеме рис.2.34, следовательно длительность переднего фронта tф также уменьшится. Ток через катушку индуктивности iL начинает расти (см. рис. 2.37) и к моменту окончания запускающего импульса значение тока iL достигнет своей максимальной величины.

Ток через магнетрон вследствие увеличения тока через катушку индуктивности будет уменьшаться быстрее, чем в схеме рис.234, следовательно время спада импульса tс уменьшится. После окончания запускающего импульса тиристор D1 запирается и паразитная

Рис. 2.37. Графики процессов в схеме с шунтирующей индуктивностью.

паразитная емкость монтажа схемы разрядится через катушку индуктивности, поскольку сопротивление магнетрона при отсутствии генерации становится бесконечно большим. Разрядный ток паразитной емкости совпадает по направлению с током iL , что способствует ускорению её разряда. Т.к. как катушка индуктивности L и паразитная емкость образуют колебательный контур, то разряд паразитной емкости будет иметь колебательный характер, что может привести к возбуждению магнетрона. Поэтому для подавления колебательного процесса в схему введен шунтирующий диод D2.

Запуск модулятора управляется синхроимпульсами, вырабатываемыми в синхронизаторе ИКО, но не напрямую, а через буферный каскад, называемый подмодулятором. Основной задачей подмодулятора является формирование необходимой длительности модулирующего импульса, которая может быть различной и зависеть от выбранной шкалы дальности. При переходе от малых шкал дальности к большим длительность импульсов τи, вырабатываемых подмодулятором также увеличивается и наоборот. Практически, подмодулятор окончательно формирует прямоугольные импульсы для управления модуляторным каскадом.

Таким образом, длительность СВЧ импульсов τг, (см. рис. 2.35,в), генерируемых магнетроном определяется длительностью импульсов, вырабатываемых подмодулятором. Как правило, каждая судовая навигационная РЛС имеет несколько ступеней длительности импульсов СВЧ в диапазоне от 0,025 до 1.2 микросекунд в зависимости от модификации РЛС и её использования.