книги из ГПНТБ / Радиотехнические системы в ракетной технике

в поперечные у входного конца звукопровода с обратным преобра­ зованием у выходного конца.

Наличие вторичных паразитных сигналов определяется многими причинами. Величина уровня ложных сигналов определяется отно­ шением амплитуды максимального из паразитных сигналов на вы­ ходе линии задержки к амплитуде основного сигнала. Одним из источников появления вторичных сигналов является троекратно распространяющийся сигнал. Частично основной сигнал отражает­ ся от приемного преобразователя и распространяется назад по ли­ нии, затем вновь отражается от передающего преобразователя по направлению к приемному преобразователю. Длина пути задерж­ ки такого сигнала в три раза больше длины пути основного сиг­ нала. Вторичные сигналы вызываются также переходом из режима продольных колебаний в режим поперечных колебаний и наоборот, рассеянием энергии на неоднородностях среды и дисперсионными явлениями.

Влинии задержки, использующей многократные внутренние отражения, вторичные сигналы могут также появиться у прием­ ного преобразователя в результате излучения по боковым лепест­ кам диаграммы излучения преобразователя. Вторичные сигналы аналогичны по форме входному импульсу и могут поступить в приемный преобразователь до или после основного сигнала. Кроме дискретных вторичных сигналов, существует обычно непрерывный фон паразитных сигналов, не связанных с формой входного им­ пульса.

Вобщем случае ультразвуковая линия задержки состоит из входного и выходного преобразователей и звукопровода. Основ­ ные причины ослабления выходного сигнала по сравнению с вход­ ным следующие: электроакустическое преобразование, затухание в звукопроводе, преобразование волн (продольных в поперечные и наоборот), расхождение луча.

Общие потери в ультразвуковой линии задержки могут быть

приближенно определены по формуле

4

320

потери преобразования при отражении на границах раздела

В, = 20 1 А1 te 'А7

Обозначения в формулах:

^ — длина волны звуковых колебаний, см; L — длина пути звуковых колебаний, см;

S — эффективная поверхность излучателя, см2;

акоэффициент затухания в звукопроводе, дб-см-1;

Например, для линии задержки на 1 мсек, изготовленной из магниевого сплава, общие потери в 65 дб распределяются следую­ щим образом: на электроакустическое преобразование 30 дб, зату­ хание в звукопроводе 22 дб, потери преобразования при отражении на границах раздела 2 дб, на расхождение луча 11 дб.

Основной недостаток ультразвуковых линий задержки состоит в том, что их рабочие частоты обычно меньше 100 Мгц. Поэтому для применения таких линий задержки СВЧ-сигналы предвари­ тельно преобразуют в сигналы более низких частот. При этом к собственным потерям линии задержки добавляются потери, возни­ кающие при прямом и обратном преобразованиях частоты.

Суммарные потери в СВЧ-линиях задержки при потерях на радиочастотное преобразование в 7—10 дб составляют 60—65 дб (из них потери непосредственно в линии задержки составляют

.45 дб). Помимо того, что при использовании в СВЧ-системах линий задержки промежуточной частоты требуется введение активных схем (гетеродинов и преобразователей), этому методу присущ еще один серьезный недостаток — узкополосность. Обычно полоса про­ пускания линий задержки промежуточной частоты не превышает

30—40 Мгц.

В последнее время интенсивно ведутся работы по созданию твердотельных линий задержки, действие которых основано на применении генерации, детектирования и распространения упругих волн гиперзвуковой частоты (109—10й гц). Основное достоинство этих линий задержки состоит в том, что они задерживают непо­ средственно высокочастотный сигнал, т. е. не требуется двойное преобразование частоты.

321

Акустические волны таких частот возбуждаются, например, в монокристаллах сапфира, рубина, рутила, кварца при непосред­ ственном воздействии на них электромагнитного поля. Сравни­ тельно медленное распространение сигнала в монокристаллах поз­ воляет иметь регулируемую задержку, необходимую для работы в реальном масштабе времени. Фирма «Микровэйвз» разрабатывает линии задержки для различных частот, однако наиболее активно ведется разработка устройств L- и S-диапазонов. При комнатной температуре без применения криогенных устройств одна из линий задержки этой фирмы обеспечивает задержку на 5 мксек при ча­ стоте 2 Ггц. Потери в линии задержки 45 дб, диаметр 1,27 см, дли­

держки могут иметь фиксированную или периодически повторяю­ щуюся задержку.

Твердотельные устройства с периодически повторяющейся за­ держкой работают по принципу накопления сигнала. Входной им­ пульс поступает через циркулятор в схему задержки, где он пре­ образуется в акустическую волну. Эта волна распространяется вдоль кристалла и частично отражается в обратном направлении. В результате многократных отражений на выходе получается се­ рия импульсов, в точности воспроизводящих входной сигнал, но имеющих меньшую амплитуду. Частота следования импульсов по­ стоянная, интервал между ними определяется размерами кристал­ ла и равен времени прохождения сигнала в обе стороны. Из-за потерь на распространение амплитуда импульса с каждым прохож­ дением убывает по экспоненциальному закону.

В настоящее время ведется разработка устройств с переменной задержкой. В них для изменения задержки используется измене­ ние скорости распространения сигнала. Последняя зависит от ве­ личины магнитного поля, создаваемого внутренним постоянным магнитом и регулируемой катушкой индуктивности.

Известна, кроме того, возможность возбуждения и приема ги­ перзвуковых волн с использованием кварцевой среды и сульфидно­ кадмиевых преобразователей. Линия задержки, основанная на этом принципе, обладает небольшими потерями на частотах несколько более 2 Ггц. При повышении рабочей частоты потери возрастают. Потери можно снизить с помощью криогенной техники. Фирма «Белл лабораториз» разработала линию задержки с сульфидно­ кадмиевыми преобразователями с параметром задержки 2,5 мксек/см. Вносимые потери при работе в диапазоне (390— 1150 Мгц) не превышают 10—20 дб. Полоса пропускания таких ли­ ний задержки в среднем составляет 10% от рабочей частоты.

В твердотельных линиях задержки на железо-иттриевом грана­ те можно получить не только постоянную и переменную задержку высокочастотных сигналов, но и их усиление. Фирма «Сперри Рэнд» создала линию задержки, работающую в Х-диапазоне. В установке применен параметрический усилитель на железо-ит­ триевом гранате в виде стержня длиной в 1 см и диаметром 0,3 см.

322

Один конец стержня помещен в прямоугольный волноводный резо­ натор Х-диапазона, куда поступают сигналы импульсного генера­ тора частоты 8,7 Ггц. Второй конец стержня помещен в другой волновод, откуда поступают сигналы магнетронного генератора ча­ стоты 17,4 Ггц (источник накачки). Векторы напряженности маг­ нитного поля на обоих концах стержня перпендикулярны оси стержня и параллельны друг другу.

Стержень и волноводы помещены в контейнер с жидким гелием. Подаваемые на вход сигналы преобразуются в так называемые магнито-упругие колебания, представляющие собой сочетание спи­ новых и звуковых волн. Параметрическое усиление осуществляется путем подачи сигналов накачки к противоположному концу стерж­ ня. Длительность задержки зависит от величины приложенного магнитного поля. Изменение магнитной индукции поля на 20 гаусс меняет задержку сигнала на 1 мксек. Полученные при эксперимен­ тах длительности задержки находились в пределах от 5 до 15 мксек, а усиление достигало 35 дб относительно уровня мощно­ сти входного сигнала. При этом ширина полосы при максималь­ ном усилении составляла 4—5 Мгц. Предполагается, что в L-диапазоне такая линия задержки сможет работать без охла­ ждения.

Одним из перспективных устройств, реализующих плавно регу­ лируемую задержку радиосигналов, является лазерно-акустическая линия задержки, принцип действия которой основан на акустиче­ ском управлении выходным излучением лазера. Электрический сигнал преобразуется в акустическую волну, распространяющую­ ся в замедляющей сплошной среде; эта волна взаимодействует с лучом лазера, который проходит сквозь данную среду. Оптический детектор выделяет огибающую излучения лазера. Величина за­ держки определяется временем распространения акустической вол­ ны от преобразователя до места входа в среду луча лазера и мо­ жет регулироваться перемещением замедляющей среды.

Другой способ плавного изменения времени задержки предпо­ лагает электрооптическое отклонение луча. Полоса пропускания, достижимая в такой линии задержки, составляет 5 Мгц при цен­ тральной частоте 1 Ггц. В ближайшее время предполагается полу­ чить в лазерно-акустических устройствах полосу пропускания до 40—50 Мгц. Потери в подобных устройствах составляют обычно 80—85 дб в широком диапазоне рабочих частот от 200 до 1000 Мгц при отношении сигнал/шум 35—40 дб. В системе с однократным

8.6. Малогабаритные источники питания

Бортовые источники питания должны обладать рядом качеств, основными из которых являются: автономность, высокая надеж­ ность при отсутствии дублирования, термоустойчивость в широком

323

диапазоне температур, малый удельный вес (вес на единицу мощ­ ности), малый удельный объем.

Особенностью бортовых источников в зарубежных станциях по­ мех является кратковременность работы при одноразовом исполь­ зовании. Время работы ограничено полетным временем, которое для межконтинентальных баллистических ракет не превышает

30—40 мин.

Для работы сложных радиотехнических устройств, какими яв­ ляются станции активных помех, обычно требуется много различ­ ных номиналов постоянных и переменных напряжений с различ­ ным потреблением тока. В соответствии с этим источники питания бортовой аппаратуры состоят из первичных и вторичных. Первич­ ные источники питания постоянного тока обычно являются низко­ вольтными (до 30 в). Напряжение первичных источников преобра­ зуется вторичными источниками питания с целью обеспечения не­ обходимых высоковольтных номиналов для питания всех электри­ ческих цепей схемы.

В качестве первичных источников электроэнергии в принципе могут применяться генераторы: магнитогидродинамические, термо­ электрические и термоэлектронные, солнечные батареи, химиче­ ские и биохимические источники, топливные элементы.

Приведенным выше требованиям в наибольшей степени отвечают химические источники, превращающие химическую энергию окислительно-восстановительных процессов в электри­ ческую.

Среди химических источников тока большое распространение получили аккумуляторы, краткие характеристики которых приве­ дены в табл. 8.10.

* Под теоретической удельной энергией понимается величина энергии, снимаемой с 1 кг веса активных веществ при коэффициенте их использования, равном единице, т. е. это предел, к которому следует стремиться при повышении удельных характеристик.

Как следует из таблицы, наибольшей удельной энергией обла­ дают серебряно-цинковые аккумуляторы. Разрабатываемые и из­ готовленные в США серебряно-цинковые аккумуляторы чаще все­

324

го используются на ракетах и спутниках. Выпускаются аккумуля­ торные батареи емкостью от 0,1 до 300 а-ч при времени разряда

единицу веса достигает 130 вт-ч-кг^1, а удельная энергия на еди­ ницу объема — 300 вт-ч-дм "3. Столь высокие показатели достиг­ нуты в усовершенствованных батареях, которые собираются из элементов, представляющих собой так называемые двойные элек­ троды: положительный и отрицательный, прикрепленные к проти­ воположным сторонам токоснимателя. Между элементами находятся электролит и разделитель. Такая конструкция позволяет значи­ тельно уменьшить вес и размеры батареи. Основные характеристи­ ки усовершенствованных батарей с к. и. д. 65—85% приведены в табл. 8.11.

Значительное внимание уделяется в США разработке вторич­ ных источников питания различного назначения (конвертеры). Коэффициент полезного действия конвертеров зависит от уровня мощности, в лучшем случае значение к. п. д. в диапазоне мощности 10—100 вт составляет 90%. Для получения максимального общего к. п. д. усилителя (конвертер плюс ЛБВ) необходимо конвертер разрабатывать применительно к данной ЛБВ. В настоящее время широкое применение находит пакетирование ЛБВ с конвертером, работающим от первичного источника питания напряжением 28 в. В зависимости от типа ЛБВ вес усилителей изменяется от 1,35 до 9 кг, но общий к. п. д. таких усилителей еще низок. Так, например, к. п. д. усилителя в 3-см диапазоне достигает всего 26%.

Т а б л и ц а 8. И

Характеристики аккумуляторных батарей с к. п. д. 65—85%

8.7. Радиационная стойкость элементов радиоаппаратуры

Исследования воздействия радиации, возникающей при ядерном взрыве, на радиоэлектронную аппаратуру проводятся в США

с 1948 г.

Физические картины ядерных взрывов, произведенных в атмо­ сфере и за ее пределами, различны. В разреженном пространстве ударные волны, вызванные взрывом, слабее. Но в этом случае сво­

325

бодно распространяются осколки деления, нейтроны, гамма-лучи и рентгеновские лучи. В связи с этим бортовая аппаратура ГЧ мо­ жет получить большие дозы радиации в результате подрыва ядерных средств на внеатмосферном участке. На больших высотах, где влиянием атмосферы можно пренебречь, интенсивность излучения падает обратно пропорционально квадрату расстояния в соот­ ветствии с обычным законом затухания энергии, распространяю­ щейся от точечного источника. Атмосфера быстро нейтрализует все заряженные частицы и поглощает мягкие рентгеновские лучи, а также часть гамма-излучения. Однако при поглощении гаммалучей воздухом создается сильный электромагнитный импульс, представляющий серьезную опасность для радиоаппаратуры. Им­ пульс проникающей радиации является основным поражающим фактором не только в верхних слоях атмосферы, но и в кос­ мосе.

Влияние основных видов ионизирующих излучений на работо­ способность элементов радиоаппаратуры оценивают следующими

приняты уровни радиации, которым соответствует 5% отказов по­ лупроводниковых приборов или изменение свойств материалов по любому из параметров на 25% •

Экспозиционная доза ионизирующего излучения условно пред­ ставляет собой энергию, поглощенную в некотором веществе (или «модельной» среде). Эта энергия определяется по реакции иони­ зации, происходящей в конкретном веществе, по сравнению с ионизацией, например, углерода или воздуха («модельная» среда) в условиях электромагнитного равновесия (т. е. в свободном воз­ душном пространстве на расстоянии от других тел, превышающем длину пробега вторичных электронов).

Справедливости ради следует заметить, что экспозиционная доза, например, рентгеновского и гамма-излучений в общем слу­ чае не равна поглощенной дозе этих излучений, поскольку энер­ гия, переданная заряженным частицам, и поглощенная энергия излучения различны. Экспозиционная доза становится равной по­ глощенной дозе по эффекту ионизации только в условиях элек­ тронного равновесия.

Для получения данных о возможности безотказной работы отдельных элементов радиоэлектронной аппаратуры при воздей­ ствии ядерного излучения определенного типа и с определенной мощностью в США было проведено большое число эксперимен­

326

327

К основным способам повышения радиационной стойкости ра­ диоэлектронной аппаратуры относят:

—ослабление потоков проникающей радиации с помощью за­ щитных экранов;

—применение элементов и функциональных узлов, устойчиво работающих при воздействии проникающей радиации сравнитель­ но большой мощности (т. е. схем мало критичных к изменениям электрических параметров элементов, схем с малой чувствитель­ ностью к изменению амплитуды входных сигналов и питающих напряжений, схем блокировки избыточных токов и напряжений в момент воздействия импульсной радиации и т. п.).

С помощью защитных мер можно повысить радиационную стойкость аппаратуры на 2—3 порядка. Это означает, что эффек­ тивный радиус действия ядерного взрыва сильно уменьшается и нападающая сторона вынуждена увеличивать мощности боеголо­ вок антиракет и их количество.

Корпус ракеты или другого носителя радиоаппаратуры частич­ но ослабляет действие радиации. Слой материала, плотность ко­ торого соответствует плотности воздуха толщиной 30 см на уров­ не моря, поглощает 90% мягких рентгеновских лучей, превращая их в тепло. Более длинноволновое излучение также поглощается или отражается. Для защиты от сверхжестких рентгеновских лу­ чей в принципе можно использовать материал с высокой плотно­ стью, например уран. Однако он плохо защищает от излучения с длиной волны менее 1 нм - 10~9 м.

Экран не всегда в состоянии защитить полупроводниковые приборы от воздействия жестких рентгеновских лучей, и особенно проникающей радиации. Небольшие дозы проникающей радиации

328

Гамма-радиация вызывает в материале ряд различных эффек­ тов, каждый из которых сопровождается ионизацией поглощаю­ щего вещества. Степень ионизации определяется энергией и ин­ тенсивностью излучения, его суммарной дозой, а также свойства­ ми поглотителя. Первостепенное значение имеет генерация избы­ точных электронно-дырочных пар в полупроводниках, так как эти пары создают избыточные токи в схемах. Если происходит гене­ рация вблизи р-n переходов, управляющих работой прибора, то возникает вторичный усиленный фототок, который приводит к мгновенному насыщению прибора.

Тепловое действие рентгеновского и гамма-излучений можно не учитывать при конструировании полупроводниковых приборов, так как если радиация достаточно велика, чтобы разогреть аппа­ ратуру, то она наверняка приведет к разрушению летательного аппарата, на котором она установлена.

Для уменьшения переходных фототоков в транзисторных схе­ мах, вызванных гамма-излучением, можно использовать токоогра­ ничивающие резисторы, включив их между транзистором и источ­

несколько резисторов, переходные процессы могут существенно затягиваться. Для ослабления этих эффектов следует ограничи­ вать величину фототоков. Конденсаторы сравнительно мало под­ вержены действию радиации, так как в них и так уже запасен достаточно большой заряд.

Нейтронное излучение, так же как и гамма-излучение, может вызвать ионизацию в поглощающем материале. Однако эта иони­ зация невелика, быстро исчезает и по сравнению с нарушениями, которые нейтроны создают в полупроводниках, не имеет опасных последствий.

Нейтронная радиация вызывает в полупроводнике разогрев, ионизацию и смещение атомов отдачи от их нормальных положе­

коэффициента усиления транзисторов. Так, например, увеличи­ вается сопротивление диодов в прямом направлении. Особенно силь­ но сказываются дефекты решетки в базовой области транзистора.

Для защиты радиоэлектронной аппаратуры можно использо­ вать транзисторы с более высоким коэффициентом усиления, что­ бы компенсировать возможное ослабление усиления под дейст­ вием радиации. Но этот метод не является универсальным. Более радикальная мера — повышение стойкости каждого транзистора или диода. Этого можно добиться с помощью технологических ме­ тодов при изготовлении высокочастотных приборов.

329