книги из ГПНТБ / Филаткин К.М. Радиометрист штурманский учеб. пособие
.pdfдовательно, в такой aHtenne Пассивный вибратор яв ляется как бы отражателем энергии вибратора А. Диа грамма направленности такой антенны изображена на рис. 57,я.
В радиолокационных станциях применяются слож ные директорные антенны, состоящие из ряда пассив ных вибраторов и одного активного. Такие антенны об ладают острой диаграммой направленности (рис. 57,6). В сантиметровом диапазоне волн в качестве излучате лей применяются полуволновые вибраторы (рис. 57,в), рупорные (рис. 57,г) и щелевые (рис. 57,6).
Для создания остронаправленного излучения в ан теннах сантиметрового диапазона применяются сплош ные или решетчатые параболические отражатели. Из лучатели обычно устанавливаются в их фокусе. Парабо лические отражатели бывают различных типов, особен но часто встречаются отражатели в форме параболоида вращения и усеченного параболоида (рис. 57,е).
§ 2. Передача электромагнитной энергии высокой частоты
Для передачи электромагнитной энергии сверхвысо кой частоты от передатчика к антенне и от антенны к приемнику, а также для соединения отдельных блоков РЛС между собой служат передающие линии или фи деры.
Существует три основных типа передающих линий: открытая двухпроводная линия, коаксиальный фидер и волновод. В РЛС нашли применение гибкие и жесткие фидеры. Фидеры могут применяться в линиях метрово го и дециметрового диапазонов. В сантиметровом диа пазоне при передаче энергии по фидерам получаются большие потери, вследствие чего в этом диапазоне применяются волноводы — металлические полые трубы, внутри которых распространяется электромагнитная энергия.
Для объяснения работы волновода рассмотрим сле дующее. Подключим к двухпроводной линии справа и слева четвертьволновые короткозамкнутые отрезки ли нии (рис. 58,а). Такое подсоединение не повлияет на распространение энергии, так как подобные отрезки представляют собой металлические изоляторы. Если
ПО
мы увеличим количество подключаемых o tp e 3 K O B , t o они будут стоять друг возле друга. В результате полу чится своеобразный волновод (рис. 58,6)- Короткозамк нутые четвертьволновые отрезки не позволяют энергии выходить за пределы линии, они как бы экранируют ее, поэтому можно сказать, что в такой линии нет по терь на излучение. Теперь, если мы соединим отрезки вплотную, уберем двухпроводную линию, то получим
Рис. 58. Волноводы:
а — короткозамкнутые отрезки; б — образование волно вода; в — виды волноводов; г — распространение волны в волноводе
сплошную металлическую трубу — в о л н о в о д (рис. 58,б). Если в таких волноводах разместить специаль ный излучатель, то волны в них будут распространять ся, отражаясь от стелок (рис. 58,г).
§ 3. Согласующие и переходные устройства
Для передачи энергии к потребителю необходимо, чтобы в линии существовала бегущая волна. Неодно родность линии даже при согласовании нагрузки созда ет отражение энергии, вследствие чего возникают отра женные волны. В линии одновременно существуют от раженная и бегущая волны. Это приводит к тому, что энергия к потребителю приходит не полностью. Если при бегущей волне в линии амплитуда напряжения во всех ее точках постоянная, то при стоячей и бегущей
111
*
Еолнах в линии наблюдаются максимумы и минимумы амплитуды напряжения. Отношение максимального на пряжения к минимальному, установившееся вдоль ли
нии, называется |
к о э ф ф и ц и е н т о м с т о я ч е й |
б е г у щ е й в о л н |
ы (КБВ). |
Величина обратная КСВ, показывающая качество передачи высокочастотной энергии по фидеру от источ ника к потребителю, называется к о э ф ф и ц и е н т о м
б е г у щ е й в о л н ы .
КБВ и КСВ характеризуют качество согласования линии с нагрузкой. Практически КБВ в реальных ли ниях передачи бывает 0,5—0,9.
Для согласования линий с потребителями или линий с различными параметрами между собой применяются согласующие устройства. Такими устройствами служат согласующие трансформаторы — четвертьволновой от резок линии, обладающий волновым сопротивлением.
Рис. 59. Переходные и согласующие устройства:
а — полуволновой удлинитель; 6 — переходный трансформа тор; в — дросселирующий переход; г — вращающееся вол новодное сочленение; д — гибкий волновод
Для согласования линий, кроме четвертьволнового тран сформатора, применяются шлейфы. Шлейф — это от резок короткозамкнутой или разомкнутой линии, длина которого может регулироваться. Шлейф подключается параллельно согласуемым линиям на расстоянии чет верти длины волны от места их соединения.
112
Переходные устройства применяются тогда, когда в линиях передачи электромагнитной энергии приходит ся делать переходы от линии одного типа к линии дру гого типа.
В качестве переходных устройств в РЛС применя ются полуволновой удлинитель, переходный трансфор матор, вращающийся переход, соединительное колено, дроссельный переход, гибкий волновод, представленные на рис. 59.
§4. Антенный коммутатор
Всвязи с тем что в РЛС одна и та же антенна ис пользуется как для приема, так и для передачи, возни
кает необходимость создавать такие условия, которые предохраняли бы приемник от мощных излучаемых им-
Р и с. 60. А н т е н н ы й к о м м у т а т о р м е т р о в о г о д и а п а з о н а
пульсов, а также закорачивали бы выход передатчика при приеме маломощных сигналов. Эту работу выпол няет антенный коммутатор. Работа антенных коммута торов для всех диапазонов одинаковая. Механические устройства не могут обеспечить процесс коммутации, так как он в РЛС должен осуществляться со скоростью, ■равной частоте посылок. Такая коммутация твыполнима ■только с помощью электронных схем.
На рис. 60 приведена принципиальная схема антен ного коммутатора метрового и дециметрового диапазо нов. Два разрядника А и Б подключены к концам ра
8—499 |
ИЗ |
зомкнутых четзертьволновых отрезков «С» и «Д», при соединенных к линии «Е», соединяющей передатчик с антенным устройством. Расстояние между четвертьвол новыми отрезками «С» и «Д» равно четверти длины вол ны, кроме того, к отрезку «Д» подключено приемное устройство. При 'излучении энергии передатчиком оба разрядника зажигаются и отрезки становятся короткозамкнутыми. Четвертьволновая короткозамкнутая ли ния имеет бесконечно большое входное сопротивление
вточках 1—2, поэтому энергия передатчика при излу чении не может попасть на вход приемника, а проходит
вантенну без потерь.
Во время приема слабый отраженный сигнал не мо жет заставить сработать разрядники и они не зажига ются, следовательно, четвертьволновая линия «Д» ока жется разомкнутой. В результате сопротивление линии в точках 1—2 в сторону приемника равно нулю. В то же время четвертьволновая линия «С» вместе с отрез ком линии «Е» 1—3 составит полуволновой отрезок ли нии, разомкнутой на конце. Такая линия обладает вход ным сопротивлением, равным бесконечности, и поэтому принимаемая энергия не может попасть на передатчик. В сторону приемника сопротивление равно нулю, поэто му энергия пройдет на прием без потерь.
Другая схема антенного коммутатора приведена на рис. 61; она применяется в сантиметровом диапазоне.
Рис. 61. Антенный коммутатор сантиметрового диа пазона
114
Данный антенный коммутатор представляет собой от резок волновода, одни конец которого закрыт попереч ной стенкой, а другой связан с трактом волновода. Воз ле нижнего конца волновода на 1/е часть длины волны от него прорезано отверстие, в которое входит штырь, связывающий антенный коммутатор с магнетронным пе редатчиком. На двух узких стенках радиочастотного блока расположены два объемных контура А и В, сме
шенных |
один относительно другого на четверть длины |
е о л н ы . |
Внутри контуров помещены газовые разрядники. |
Центр каждого объемного контура отстоит от центра волновода на '/i длины волны. Объемный контур В свя зан с входом приемника. Работа газовых разрядников и объемных контуров при передаче и приеме аналогич на работе описанного выше коммутатора.
Г л а в а VIII. ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
§ 1. Передающие устройства
Передающее устройство радиолокационной станции преобразует энергию низкой частоты источника питания в кратковременные импульсы высокой частоты и боль шой мощности для последующего излучения их в пространство. Блок-схема передатчика приведена на рис. 62,а. Передатчик состоит из схемы запуска, модулято ра и генератора сверхвысокой частоты. На приведенной простейшей блок-схеме передатчика видно, что высоко вольтный выпрямитель преобразует энергию источника переменного тока в энергию постоянного тока высокого напряжения и заряжает в течение паузы конденсаторы накопительного устройства. Вместе с этим схема запус ка вырабатывает короткие импульсы, которые исполь зуются для одновременного запуска передающего и индикаторного устройств. Запускающий импульс вызы вает срабатывание коммутирующего устройства, кото рое подключает накопитель к анодам генераторных ламп. В процессе разряда накопителя на анодах ге нераторных ламп создается кратковременное высокое напряжение, благодаря чему генератор формирует им пульс сверхвысокой частоты большой мощности.
8* |
П5 |
Генерация колебаний сверхвысокой частоты осуще ствляется ламповыми генераторами с самовозбуждени ем, работающими на общих принципах. Однако для по лучения частот порядка сотен мегагерц приходится зна чительно уменьшать индуктивность и емкость контуров. При этом их величины становятся соизмеримыми с междуэлектродными емкостями и индуктивностями вы-
г - -----------------------— “ “ — |
■ — 1 |
К индикатору РЛС
Рис. 62. Передающие устройства:
а — блок-схема передатчика; б — конструкция многорезонаторного магнетрона; о, г — возникновение колебании в магнетроне
водов ламп. Эти причины, а также большое время про лета электронов в лампах ограничивают частотный пре дел использования обычных ламп в генераторах УКВ. Обычные лампы вообще не могут использоваться в ге нераторах сантиметрового диапазона волн.
Для генерации сантиметровых и дециметровых волн в РЛС применяются специальные лампы, работа кото рых основана на полезном использовании времени про
лета электронов. |
Такие лампы называются |
м а г н е |
|
т р о н а ми . На |
рис. 62,6 показан |
общий |
вид мно |
горезонаторного |
магнетрона с постоянным |
магнитом. |
|
Анод 1 магнетрона имеет форму |
цилиндра, |
выполнен |
|
ие
кого из красной меди. В стенках анода высверлены от верстия 2, сообщающиеся через щелн 3 с внутренним пространством лампы. Каждое отверстие со щелыо яв ляется резонатором, г. е. объемным колебательным кон туром, индуктивностью которого служит внутренняя по верхность отверстия, а емкостью — стенки щели. От размеров этих резонаторов зависит частота колебаний, вырабатываемая магнетроном.
В пространстве, находящемся в центре анода, по мещается цилиндрический катод 4. Для вывода энер гии сверхвысокой частоты, генерируемой магнетроном, з одном из резонаторов устанавливается петля связи 6. В целом магнетрон имеет вакуумную конструкцию, вы воды 5 которого изолированы стеклом. Для увеличения поверхности охлаждения корпус магнетронаделается ребристым.
Возникновение колебаний сверхвысокой частоты в магнетроне основано на группировании электронного потока по плотности под воздействием электрического и магнитного полей. Вследствие того что к катоду маг нетрона прикладывается большое отрицательное напря жение, между анодом и катодом создается сильное по стоянное электрическое поле. Электроны, вылетающие из катода, под действием этого электрического поля с большой скоростью движутся к аноду. Так как магне трон помещен в магнитное поле, поэтому на электрон, вылетевший из катода, действуют две силы: сила элек трического поля, устремляющая электрон к аноду, и си ла . магнитного поля, отклоняющая электрон в сторону от пути его движения.
Траектория электронов искривляется тем сильнее, чем сильнее магнитное поле. Усиливая магнитное поле, можно заставить электроны пролетать в непосредствен ной близости от анода и возвращаться на катод. Та кое поле называется критическим и устанавливается в магнетроне. Магнитное поле только изменяет направ ление движения электрона, запас энергии он приобре тает за счет электрического поля. При движении к ано ду скорость электрона увеличивается, а при возврате его движение тормозится электрическим полем.
После включения магнетрона под напряжение элек троны начинают свое крутоворотное движение от като да К аноду и обратно, не попадая на анод. Пролетая
117
под щелями объемных резонаторов, электроны возбуж дают в них свободные колебания (рис. 62,в). В это время в резонаторах свободный электрон, имеющийся на стенке 1, отталкивается приближающимся потоком электронов и переходит на стенку 2. Таким образом, на стенке 1 образуется положительный заряд, а на стенке 2 — отрицательный. В результате емкость объемного контура заряжается. После этого начинается разряд емкости и в контуре возникают колебания. Колебания, возникшие в одном резонаторе, вызывают колебания во всех резонаторах, так как все они связаны между со бой пронизывающими их магнитными и электрическими полями (рис. 62,г). Колебания двух соседних резона торов сдвинуты по фазе на 180°. Для усиления связи между резонаторами выступы анода соединяются меж ду собой через один при помощи проволочных связок. В любой момент времени высокочастотное поле под од ной половиной щелей является для пролетающих под ним электронов ускоряющим, а под другой половиной— тормозящим. Вследствие этого из общего количества электронов, вылетающих в каждый момент времени из катода, половина попадает под тормозящие щели и ока зывается таким образом полезной, а половина — под ускоряющие щели и оказывается вредной.
Полезные электроны находятся в пространстве вза имодействия значительно дольше, чем вредные, поэтому их оказывается больше, и электронный поток в магне троне разбивается на группы, по форме напоминающие спицы колеса. Спицы непрерывно вращаются, переме щаясь от одной щели к другой за полпериода, и всегда проходят щель в тот момент, когда она тормозящая. Магнетрон является источником мощных колебаний в сантиметровом диапазоне.
§ 2. Модуляторы
Радиолокационные передатчики вырабатывают энер гию сверхвысокой частоты не непрерывно, а кратковре менными импульсами, повторяющимися через равные промежутки времени. Поэтому во всяком импульсном генераторе различают две частоты: рабочую частоту генератора и частоту повторения импульсов. Рабочая частота всегда сверхвысокая (1000—30 000), а частота
118
повторения импульсов низкая. Процесс управления не затухающими колебаниями генератора по закону низ кой частоты называется м о д у л я ц и е й , а устройства, осуществляющие это управление, — м о д у л я т о р а м и . Управление незатухающими колебаниями достигается изменением амплитуды, частоты или фазы этих коле баний. Поэтому различают соответственно амплитуд ную, частотную и фазовую модуляции.
Для управления работой радиолокационных пере датчиков, работающих в импульсном режиме, применя ется импульсная модуляция, являющаяся разновид ностью амплитудной модуляции. При этой модуляции напряжение на аноды генераторных , ламп подается лишь на время генерации. В перерыве между импуль сами анодное напряжение снимается. Единственным не достатком анодной модуляции является то, что моду лятор должен иметь большую мощность, так как он яв ляется источником анодного питания для генераторных ламп. Для формирования прямоугольных импульсов большой мощности в модуляторах радиолокационных станций применяются специальные накопители и ком мутирующие устройства. В качестве накопителей энер гии в модуляторах применяются накопительные конден саторы и искусственные линии.
§ 3. Приемные устройства
Отраженная от различных объектов электромагнит ная энергия возвращается к антенне РЛС в виде радио импульсов мощностью порядка долей микроватта и наводит в антенне малую э.д.с., обнаружить которую без специального усиления почти невозможно. Это вы нуждает между антенной и индикатором РЛС устанав ливать специальное устройство для усиления принимае мых сигналов. Оно предназначено для усиления . отра женных радиоимпульсов и преобразования их в вид, удобный для наблюдения. Качество приемника опреде ляется такими его параметрами, как чувствительность, коэффициент усиления и полоса пропускания.
Чувствительность приемника — способность воспри нимать слабые отраженные радиоимпульсы. Она харак теризуется минимальной мощностью сигнала на входе приемника, при которой на выходе развивается напря
119