книги из ГПНТБ / Филаткин К.М. Радиометрист штурманский учеб. пособие

жение, достаточное для получения на индикаторе от­ метки цели.

Коэффициент усиления приемника — отношение на­ пряжения усиленного сигнала на выходе приемника к напряжению этого сигнала на входе приемника.

Полоса пропускания приемника — диапазон частот, равномерно усиливаемых приемником. Она ограничи­ вается крайними частотами, для которых коэффициент усиления составляет 0,707 максимального.

Рис. 63. Лампа бегущей волны и принцип группирования элек тронов в ней

Собственные шумы приемника возникают вследст­ вие хаотического теплового движения электронов во всех элементах приемника. Они ограничивают чувстви­ тельность и полосу пропускания приемника.

В сантиметровом диапазоне волн для усиления ко­ лебаний сверхвысокой частоты применяются специаль­ ные лампы, работающие на принципе, отличном от принципа работы обычных электронных ламп. Пред­ ставителем этих ламп является лампа бегущей волны. Па рис. 63,р приведена схема устройства такой дампы

120

Данная лампа работает на принципе взаимодействия электронного потока с бегущей электромагнитной вол­ ной, образуемой усиливаемым сигналом.

Лампа бегущей волны состоит из стеклянного бал­ лона 1, внутри которого размещаются все элементы лампы: электронная пушка, состоящая из подогрева­ тельного катода 2 с фокусирующим электродом 3, ус­ коряющий анод 4 с проволочной спиралью 5 и коллек­ тор 6. Поверх баллона надеваются фокусирующий со­ леноид 7 и волноводная секция 8 с входным 9 и выход­ ным 10 волноводами, согласующими трансформатора­ ми 11.

Источником электронного потока 12 служит элек­ тронная пушка, создающая параллельный пучок элек­ тронов. На своем длинном пути движения внутри спи­ рали без принятия особых мер электронный поток не­ избежно разошелся бы даже только из-за взаимного отталкивания электронов. Поэтому возникла необходи­ мость «фокусировки» электронного пучка на всем его протяжении. Она осуществляется продольным магнит­ ным полем. Ускоренный, сфокусированный электронный

щий проводящий кожух. Спираль вместе с кожухом составляет спиральную линию передачи электромагнит­ ных волн, своеобразный волновод, или, как принято на­ зывать, линию замедления. Ближе к электронной пуш­ ке расположен входной волновод 9, по которому по­ ступает сигнал, подлежащий усилению. Линии напря­ женности электрического поля, создаваемого в волново­ де сигналом, располагаются параллельно небольшой ан­ тенне, являющейся в то лее время отогнутым вдоль оси лампы концом спирали. Электромагнитные волны воз­ буждают в антенне токи высокой частоты, последние, в свою очередь, возбуждают вокруг провода электриче­ ские и магнитные поля, которые со скоростью света распространяются вдоль провода спирали. Дойдя до выходного волновода, волна возбуждает в нем анало­ гичную волну. С помощью согласующих трансформато­ ров 11 молено устранить отражение энергии и получить в лампе бегущую волну тока и напряжения. Направле­ ние двилеения электронов в ламце всегда одно и то лее,

121

т. е. от электронной пушки к коллектору; направление напряженности электрического поля волны в спирали периодически изменяется во времени с частотой, равной частоте приходящих колебаний. На рис. 63,6 показаны два случая прохождения электрона через электрическое поле. В первом случае направление электрического по­ ля совпадает с направлением движения электрона, во втором случае они противоположны. Так как за направ­ ление напряженности электрического поля принято на­ правление движения положительного заряда, то отри­ цательно заряженный электрон в первом случае будет тормозиться, а во втором — ускоряться.

Если электроны попадают в тормозящее электриче­ ское поле, значит, они будут отдавать свою кинетиче­ скую энергию, которая преобразовывается в энергию электромагнитного поля, т. е. электромагнитное поле будет усиливаться. Усиленное поле возбудит в выход­ ном волноводе волну, которая будет значительно силь­ нее волны, поданной на вход ЛБВ.

Электрон, пролетающий ускоряющий участок элек­ трического поля, проходит его значительно быстрее и попадает в область торможения до того, как ее поки­ нул электрон, подвергнувшийся торможению. Вследст­ вие этого происходит преобразование первоначальной скоростной модуляции электронного потока в так назы­ ваемую модуляцию по плотности. Электроны группи­ руются, образуется сгусток электронов, длительное вре­ мя находящийся в тормозящем поле. В результате ЛБВ дает очень высокие коэффициенты усиления, до­ стигающие миллиона раз по мощности в одной лампе.

Вторым элементом приемника является преобразо­ ватель частоты, служащий для преобразования колеба­ ний сигналов высокой частоты в колебания более низ­ кой промежуточной частоты, на которой легче осущест­ вить необходимое усиление. Высокая частота сигналов преобразуется в промежуточную методом биений. Прин­ цип такого преобразования заключается в сложении двух направлений с различными частотами. Особен­ ностью биений является периодическое изменение их амплитуды. Оно получается вследствие несовпадения частот, в результате чего напряжения либо складывают­ ся, либо вычитаются. Частота изменения амплитуды би­ ений называется ч а с т о т о й биений. Она всегда

122

ниже частот, образовавших биения, и равна их раз­ ности.

Если полученные биения выпрямить, то на нагрузоч­ ном сопротивлении будет проходить пульсирующий ток,

Рис. 64. Клистрон и принцип группирования электронов в нем

Смесители приемников метрового диапазона могут собираться на обычных диодах, триодах или пентодах с большой крутизной характеристики и малым уровнем шумов. Схемы преобразователей, применяемые в мет­ ровом и дециметровом диапазоне, не пригодны для сан­ тиметровых воли. В качестве гетеродинов в сантимет­ ровом диапазоне волн используются клистронные ге­

123

лении. В этом клистроне применен разборный резона­ тор с дисковыми впаями в стекло баллона. Источни­ ком электронов является оксидный катод. К ускоряю­ щему электроду подводится специальное напряжение, создающее ускорение движения электронов. К отрица­ тельному электроду подведено отрицательное по отно­ шению к катоду напряжение.

По диаграмме, изображенной на рис. 64,6, рассмот­ рим работу клистрона. Допустим, в момент времени /х электрон Эи вылетая из катода, попадает в ускоряю­ щее поле резонатора в момент времени /2; электрон Э2 вылетает позже и попадает в тормозящее поле резона­ тора в момент времени /3. В пространство группирова­ ния электрон 5i влетает с большей скоростью, чем Э2. Обладая большим запасом кинетической энергии, пер­ вый электрон будет дольше сопротивляться действию тормозящего поля отражателя и ближе подойдет к не­ му, чем второй. Поэтому, хотя второй электрон вылетел

мы подберем расстояние между резонатором и отража­ телем и напряжения на электродах, можно добиться положения, что все электроны будут собираться в сгуст­ ки в резонаторе тогда, когда поле для них будет тор­ мозящим. Первоначальное возбуждение колебаний в клистроне происходит от шумовой составляющей элек­ тронного потока. Под .влиянием этих слабых колебаний произойдет первоначальная группировка электронов. Незначительные сгустки, вернувшиеся из пространства группирования, будут усиливать колебания в резонато­ ре, отдавая ему свою кинетическую энергию. Отража­ тельный клистрон можно настраивать на разные часто­ ты, механически изменяя объем резонатора. В неболь­ ших пределах частоту можно изменять путем изменения напряжения на отражателе. Клистрон очень чувстви­ телен к изменению напряжений на всех электродах, особенно на отражателе. Однако при этом меняется не

124

ми. В качестве колебательных систем в смесителях сан­ тиметрового диапазона применяются отрезки коакси­ альных линий и волноводов.

§4. Усилители приемника РЛС

Врадиолокационных приемниках основное усиление сигналов производится по промежуточной частоте. Это

объясняется тем, что промежуточная частота значи­ тельно ниже рабочей частоты станции. Усилитель про­ межуточной частоты радиолокационного приемника многокаскаден. УПЧ должен дать на выходе напряже­ ние сигнала не менее 1—2 в, необходимое для работы детектора. Получение такого напряжения обеспечива­ ется 10—12 каскадами. В качестве УПЧ используются схемы резонансных усилителей двух типов: одноконтур­ ные и двухконтурные, собранные на высокочастотных пентодах металлической или пальчиковой серии.

Неотъемлемой частью приемника радиолокационной станции является детектор. Прежде чем радиоимпуль­ сы, усиленные каскадами усилителя промежуточной ча­ стоты, попадут на видеоусилитель, их необходимо продетектировать. Выделение промежуточной частоты из биений в преобразователях является частным случаем детектирования.

Различают три вида детектирования: диодное, се­ точное и анодное. При сеточном детектировании состав­ ляющая низкой частоты выделяется в цепи сетки детек­ торной лампы, а при анодном — в цепи ее анода. Од­ нако из-за серьезных недостатков эти виды детектиро­ вания не нашли распространения в радиолокационных приемниках. В них широкое применение нашло диодное детектирование. В качестве детекторов используются диоды или триоды в диодном включении.

Видеоусилитель является последним звеном усиле­ ния отраженных сигналов в приемнике. Видеоимпуль­ сы состоят из широкого спектра частот, от 10—20 гц до 2—3 Мгц и выше. Поэтому, чтобы хорошо воспроиз­ вести их форму, видеоусилители должны иметь широ­ кую полосу пропускания и равномерно усиливать весь диапазон частот. Для выполнения этих требований ви­ деоусилители собираются по схемам усилителей на со­ противлениях. Усиленные видеоимпульсы с выхода ви-

125

деоусилителя приемника подаются на индикаторное устройство. Так как оно расположено в отдельном бло­ ке, то видеосигналы должны передаваться по высоко­ частотному фидеру.

Волновое сопротивление фидера обычно мало, а так как длина фидера всегда меньше четверти длины b o j j - ны видеочастот, то его сопротивление имеет емкостный характер. Поэтому подключение фидера к видеоусили­ телю равноценно подключению большой емкости, вклю­ ченной параллельно емкости анод—катод лампы. Это приводит к искажению формы импульса и снижению коэффициента усиления. Для согласования выхода ви­ деоусилителя с волновым сопротивлением соединитель­ ного фидера в качестве оконечного каскада приемника всегда применяется каскад с катодной нагрузкой.

Глава IX. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ

СПОМОЩЬЮ РЛС

§1. Индикаторы РЛС

Индикаторные устройства радиолокационных стан­ ций предназначены для обнаружения целей, наблюде­ ния за ними и определения их местоположения. Дан­ ные, полученные на индикаторах, используются для информации об обстановке, управления огнем и боевы­ ми средствами корабля, а также для обеспечения безо­ пасности кораблевождения. Наблюдение за целями и определение их координат на индикаторах РЛС произ­ водится по отраженным сигналам, поступающим с при­ емника и преобразуемым в индикаторе с помощью элек­ троннолучевых трубок в видимые отметки цели. Основ­ ными узлами индикатора являются: схема формирова­ ния отметки сигнала, схема формирования развертки, электроннолучевая трубка, схема измерения координат.

Состав индикаторной аппаратуры определяется на­ значением РЛС. Для обнаружения и грубого определе­ ния координат используются индикаторы кругового об­ зора. Для более точного измерения координат и опреде­ ления характеристик целей применяются секторные индикаторы. При сопряжении РЛС с автоматизирован­ ными системами управления используются специальные

126

индикаторы, на которых вместе с сигналами РЛС вы­ свечиваются условные сигналы и знаки.

Основной частью индикаторных устройств является электроннолучевая трубка.

Электроннолучевые трубки представляют собой спе­ циальные электронные приборы, в которых поток элек­ тронов в виде узкого луча, двигаясь с большой ско­ ростью и ударяясь о флуоресцирующий экран, вызыва­ ет его свечение в точке удара. Существуют два основ­ ных типа электроннолучевых трубок: трубки с электро­ статическим управлением; трубки с магнитным управ­ лением.

Рис. 65. Электроннолучевая трубка с электростатическим управле­ нием:

а — схема трубки; б — электростатическая фокусировка; в— управ­ ление электронным лучом трубки

В электроннолучевых трубках с электростатическим управлением фокусировка и отклонение луча произво­ дятся под действием электрического поля. Трубка тако­ го типа состоит из трех основных элементов:

—• электронной пушки, создающей узкий электрон­ ный луч, направленный вдоль продольной оси трубки; —• отклоняющей системы, осуществляющей отклоне­ ние электронного луча от оси трубки в соответствии с

заданным законом; —■стеклянного баллона с флуоресцирующим экра­

ном для индикации положения электронного луча.

127

На рис. 65,о представлено устройство электроннолу­ чевой трубки с электростатическим управлением луча. Конструктивно она представляет собой стеклянный бал­ лон 1 с удлиненной горловиной и плоской торцевой частью — экраном 2. Внутри баллона трубки располо­ жены ее электроды. Выводы всех электродов подпаива­ ются к цоколю 9.

Катод 3 оксидный подогревный в виде цилиндра с подогревателем внутри.

Управляющий электрод 4 служит для управления током электронного луча, т. е. он выполняет те же функ­ ции, что и управляющая сетка электронной лампы. Он имеет отрицательный потенциал относительно катода,, величина которого, как правило, регулируется. При из­ менении потенциала управляющего электрода меняется: плотность электронов в луче и, следовательно, яркость, светящегося пятна на экране трубки.

Первый и второй фокусирующие аноды 5 и 6 служат

Отклоняющая система 7 и 8 представляет собой две пары взаимно перпендикулярных пластин, расположен­ ных между вторым анодом и экраном в электроннолу­ чевой трубке. С помощью отклоняющей системы пятно можно переместить в любую точку экрана. Экран труб­ ки 2 является местом, где энергия электронного потока преобразуется в световую энергию, благодаря чему ме­ сто падения электронов становится видимым. Экраны покрывают специальным веществом — люминофором.

В результате бомбандировки экрана электронным потоком с его поверхности выбиваются электроны, вследствие чего возникает явление вторичной эмиссии. Вылетевшие электроны создают вокруг экрана прост­ ранственный заряд, который будет расфокусировать электронный поток. Для отвода вторичных электронов на внутренней поверхности растра трубки наносится токопроводящее графитовое покрытие, которое называ­ ется аквадаг 10.

Эмиттирующей частью катода является его торец, покрытый оксидным слоем. Такая конструкция катода дает возможность получить поток электронов, летящих не во все стороны, а в направлении оси трубки. Одна­ ко, несмотря на это, поток электронов остается еще

128

чрезмерно широким. Управляющий электрод' 4 резко сужает этот поток. Под воздействием отрицательного напряжения, подведенного к нему, электроны сжима­ ются к центру и через отверстие в электроде вылетают довольно узким пучком.

Фокусировка электронного луча производится с по­ мощью фокусирующей системы, образуемой управляю­ щим электродом и обоими анодами трубки. Принцип фокусировки электронного луча можно уяснить из рис. 65,6. Электрон, вошедший в электрическое поле под углом к электрическим силовым линиям, будет изгибать свою траекторию в сторону положительного потенциа­ ла. При большей скорости электрон будет находиться меньше под воздействием поля и его траектория будет искривляться меньше. При большой скорости электрон

.пролетит рядом с электродом, не попав на него. Вслед­ ствие цилиндрической конструкции электродов и распо­ ложения их вдоль оси трубки электрические силовые ли­ нии поля будут иметь дугообразную форму.

Вылетающие из катода электроны, входя в электри­ ческое поле, изменяют направление своего полета в со­ ответствии с формой силовых линий. Начальная ско­ рость электронов невелика, вследствие этого их траек­ тории будут быстро отклоняться в сторону оси трубки. По мере приближения к первому аноду, имеющему сравнительно большой положительный потенциал, ско­ рость электронов резко возрастает, вследствие чего ос­ тальной путь они проходят почти прямолинейно по схо­ дящимся к оси траекториям. Можно доказать, исполь­ зуя законы классической оптики, что в точке Ру траек­ тории электронов пересекутся, а затем начнут расхо­ диться. Конструктивно второй анод устроен так, что через его отверстие в диафрагме пройдет не весь элек­ тронный поток, а только его наиболее плотная цент­ ральная часть. Изменяя напряжение на первом или вто­ ром аноде, либо на обоих, можно смещать положение точек Ру и F2 вдоль оси трубки. Этот процесс называ­ ется ф о к у с и р о в к о й .

Яркость регулируется изменением потенциала като­ да относительно управляющего электрода. Регулиро­ вать яркость изменением потенциала управляющего электрода нельзя, так как это привело бы к нарушению фокусировки.