книги из ГПНТБ / Пелюхов П.И. Основы радиолокации учебное пособие

Радиоволны, излученные в точке О, после отражения от зеркала будут иметь одинаковую фазу в плоскости ММ', так

возбуждающии

.Ноаксиальна?

Литгу

Рис. 6S

Угол раствора диаграммы направленности может быть определен по формуле:

поверхности раздела диэлектрик— воздух, поскольку диэлект­

101

рическая проницаемость стержня больше, чем \ воздуха. На границе раздела волны частично преломляются. Излуче­ ние происходит также через закругленный конец антенны.

Достоинством диэлектрической антенны являются ее не­ большие размеры, простота устройства и диапазонность; диа­

грамма направленности сохраняет форму при изменении час­ тоты на ±10%. Диэлектрические антенны применяются в са­ молетных радиодальномерах.

Линзовые антенны. В некоторых радиолокационных стан­ циях находят применение линзовые антенны. Они могут изго­ товляться из диэлектриков или металлических пластин.

Действие линзовых антенн основано па тех же принципах, что и оптических линз.

Принцип действия диэлектрической линзовой антенны следующий. В точке (рис 69) находится источник радиоволн. На пути распространения волн помещена диэлектрическая линза, при помощи которой необходимо так изменить направ­ ления распространения радиоволн, чтобы на выходе линзы все лучи были параллельными.

'Л.иэлектрическая

____- J)UHJU

Я

Рис. 09

Радиолуч, падая на поверхность диэлектрической линзы, преломляется. Лучи, более близкие к оси линзы АО, прохо­ дят через диэлектрик более длительное время, чем лучи, удаленные от оси. Эго позволяет при соответствующем выбо­ ре формы поверхности линзы и ее толщины обеспечить синфазпость выходящих из линзы волн.

Важнейшим достоинством линзовых антенн является воз­ можность получения диаграмм направленности с небольшим углом раствора. В некоторых радиолокационных станциях

линзовая антенна применяется в сочетании с рупорной ан­ тенной.

102

Спиральные антенны. Спиральная антенна представляет собой проводник, свернутый в спираль (рис. 70). С одной стороны спирали размещают металлический отражатель (рефлектор). Диаметр рефлектора D = 0,8/..

Питание антенны может осуществляться коаксиальным кабелем. Внутренний провод кабеля присоединяется к спира­ ли, внешний — к рефлектору.

При возбуждении антенны стремятся к тому, чтобы по­ лучить бегущую волну с минимальным отражением от конца спирали. С этой целью длину каждого Витка выбирают примерно равной дли­ не волны.

Угол раствора диаграммы^ направ­ ленности спиральной антенны зависит от числа витков и угла их наклона.

мощности может быть определен по приближенной формуле:

5 — шаг намотки; К— длина волны.

Характерной и весьма важной особенностью спиральных антенн является в'ращающаяся поляризация создаваемых ими

электромагнитных полей. Поэтому приемная спиральная ан­ тенна может быть применена для приема радиоволн как с вертикальной, так и горизонтальной поляризацией.

§ 12 РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ПРИЕМНИКИ

Характеристики приемников

Диапазон частот — интервал частот (от / И1|, до / тах), в ко­ тором приемник обеспечивает нормальный прием сигналов Радиолокационный приемник настраивается на частоту пе­ редатчика РЛС, в состав которой он входит.

103

Чувствительность — способность приемника принимать слабые сигналы. Количественно чувствительность радиолока­ ционного приемника оценивается минимальной мощностью полезного сигнала на входе приемника, достаточной для нор­ мальной работы выходного устройства, и обозначается P„pttlin.

Чувствительность зависит от коэффициента усиления приемника, уровня шумов и необходимого для нормальной работы отношения мощности полезного сигнала Рс к мощно­ сти шумов Р ш па выходе приемника.

Повышение чувствительности приемника (т. е. уменьше­ ние Р „рmin) ограничивается уровнем помех (шумов).

Основным видом естественных помех, затрудняющих при­ ем радиолокационных сигналов в диапазоне УКВ, являются собственные шумы приемника, возникающие за счет хаоти­ ческого (теплового) движения свободных электронов в про­ водниках (тепловые шумы), и флуктуации электронного по­ тока в электронных лампах (дробовый эффект).

Другим источником помех являются шумы антенны, со­ здаваемые тепловым движением частиц среды, окружающей антенну, и космическим радиоизлучением.

Мощность шумов, создаваемой антенной на входе прием­ ника, при согласовании антенны со входом приемника можно

вход приемника поступают полезный сигнал, характеризуемый мощностью Р с.вх' и шум с мощностью Р ш.вх ■ Мощность сиг­ нала и шума на выходе усилителя характеризуется величи­

нами РС .В Ы Х И РШ . В Ы Х •

Коэффициент шума является величиной, показывающей, во сколько раз изменится отношение номинальных мощностей сигнала и шума при переходе от входа к выходу рассматри­ ваемого приемника:

104

Однако вследствие шумов приемника результирующая шу­ мовая мощность на выходе приемника больше мощности шу­

Выделение полезного сигнала из шумов возможно при определенном значении отношения /Лмшх Лп.пых. Это отноше­ ние принято называть к о э ф ф и ц и е н т о м р а з л и ч и м о ­ с т и ( н а б л ю д а е м о с т и ) .

/1ля нормальной работы выходных (оконечных) устройств РЛС, необходимо, чтобы

Рс.ВХ Ц N Рщ.ВХ-

Величина

является количественной мерой предельной чувствительности радиолокационного приемника.

Коэффициент различимости q зависит от частоты повто­ рения, длительности'импульса, метода индикации полезного сигнала и типа выходного устройства РЛС. При визуальной!

диапазона*. Для уменьшения коэффициента шума в радио­ локационных приемниках начальное усиление по высокой частоте осуществляется с помощью специальных малошумящих электронных приборов (ламп бегущей волны, парамет­ рических или молекулярных усилителей); для преобразова­ ния частоты используются кристаллические системы с незна­ чительным уровнем собственных шумов.

Избирательность — способность приемника выделять по­ лезный сигнал, состоящий из колебаний различных амплитуд и частот в определенной полосе частот, из всей суммы колеба­

105

ний, наведенных в приемной антенне. Избирательность можно оценить зависимостью

Идеальной формой резонансной кривой приемника явля­ ется прямоугольник, ширина которого равна полосе частот полезного сигнала.

Качестве воспроизведения сигнала зависит от ряда фак­ торов, среди которых в радиолокационном приемнике важней­ шую роль играет полоса пропускания частот — диапазон час­ тот, па краях которого усиление сигнала по мощности умепь

шается в два раза по сравнению с усилением сигнала несу­ щей! частоты.

Полоса пропускания приемника должна соответствовать полосе .спектра частот полезных сигналов*. Если полосу про-

2

пускания приемника выорать значительно меньше —, где т —

длительность импульса в мксек, то это приведет, во-первых, к искажению первоначальной формы полезных импульсных сигналов и, во-вторых, амплитуда импульсов будет меньше амплитуды, которой можно достигнуть при некоторой опти­ мальной величине полосы.

Увеличение чувствительности приемника можно получить при уменьшении полосы пропускания: чем уже полоса, тем меньше уровень шумов (см. уравнение (II, 87). С другой сто­ роны, для сохранения формы сигнала целесообразно увеличи­ вать полосу пропускания. Теоретические исследования вопро­ са в выборе полосы пропускания показывают, что наиболь­

При оптимальной полосе пропускания РЛС имеет наи­ большую дальность обнаружения.

При значительном отклонении полосы пропускания от Д/опт в сторону увеличения улучшается качество воспро­

* Спектр частот радиоимпульсов был рассмотрен в § 8 данной главы,

106

изведения импульсного сигнала, но уменьшается отноше-

р

ние — — (рис. 71). При уменьшении полосы пропускания

относительно Л /опт уменьшается отношение-— с— и ухуд­

шается форма импульса входного сигнала.

р

Рис. 71

В РЛС, для которых первостепенное значение имеет точ­ ность измерения дальности, полоса пропускания выбирается больше оптимальной.

высокую чувствительность, избирательность и большую поло­ су пропускания.

Типовая блок-схема супергетеродинного приемного устрой­ ства радиолокационной станции изображена на рис. 72. Кас­ кады, обведенные пунктиром, могут встречаться не во всех Приемниках.

К и и у и к и п Ю р и ун (у С Р П

Р и с . 72

107

Входная цепь состоит из одного или нескольких колеба­ тельных контуров, настроенных на частоту принимаемых сиг­ налов. Входная цепь позволяет предварительно выделить по­ лезный сигнал в определенной полосе частот.

Конструктивное выполнение входной цепи зависит от диа­ пазона частот, в котором работает приемник.

а 0~~|

На рис. 73 изображена входная цепь приемника метрового диапазона. Колебательный контур состоит из катушки индук­ тивности L и конденсатора переменной емкости С.

В диапазоне метровых и дециметровых волн во вход' пой цепи в качестве колеба­ тельной системы используют­ ся отрезки длинных линий, чаще всего концентрических (рис. 74). На сантиметровых волнах применяются объем­ ные резонаторы.

Полоса пропускания и связь с линией передачи вьг бираются из условия получе­

Усилитель высокой частоты (УВЧ) увеличивает амплиту­ ды напряжений высокой частоты. Усилитель в диапазоне мет­ ровых и дециметровых волн может состоять из одного или нескольких каскадов резонансных усилителей. Упрощенная схема резонансного усилителя изображена на рис. 75. Пере­ менное напряжение в таком усилителе подается на управля' ющую сетку лампы, в результате чего в анодной цепи лампы, течет пульсирующий анодный ток. В качестве анодной на-:

J08

грузки для переменных составляющих анодного тока исполь зуется колебательный контур с параллельным соединением индуктивности L и емкости С, настроенный на частоту коле­ баний, действующих в сеточной цепи. При резонансе колеба­ тельный контур для переменной составляющей анодного то­ ка, на частоту которой настроен контур, представляет большое сопротивление, что позволяет получить эффект усиления, т. е. Увеличение амплитуды напряжения 6 ВЫХпо сравнению с амп­ литудой напряжения Uax.

На метровых и дециметровых волнах (в диапазоне час­ тот 75—500 Мгц) в усилителях высокой частоты радиолока­ ционных приемников используются малогабаритные пальчи­ ковые лампы или лампы типа «желудь». Трудность усиления сигналов высокой частоты возрастает по мере укорочения дли­ ны волны. На дециметровых

109

лампе, а дисковые выводы уменьшают индуктивность вы­ водов. Все это дает возможность применять такие лампы на очень коротких волнах.

В приемниках сантиметрового диапазона для усиления сигналов на высокой частоте нашли применение в качестве усилителей высокой частоты лампы бегущей волны (ЛБВ). Устройство и принцип работы этих усилителей были рассмот­ рены выше.

Настойчивые поиски способов увеличения чувствительно­ сти приемников привели к открытию возможности использо­ вать в радиолокационных приемниках совершенно новые устройства — параметрические и молекулярные усилители высокочастотных колебаний*. Уровень шумов этих новых при­ боров оказался значительно ниже уровня шумов клистронов №ламп бегущей волны.

Параметрические усилители. В сравнении с ЛБВ парамет­ рические усилители имеют меньший уровень шумов, меньший вес и размеры.

Механизм усиления колебаний параметрическим усилите­ лем существенно отличается от механизма усиления обычны­ ми усилителями с электронными лампами и транзисторами, в которых управление колебаниями происходит благодаря уп­ равлению входным сигналом постоянного электронного пото­ ка в приборе. В обычном усилителе уровень шумов возрас­ тает за счет дробового эффекта.

В параметрическом усилителе усиление происходит бла­ годаря периодическому изменению во времени одного из ре­ активных элементов контура (например, емкости). Основным элементом такого усилителя является устройство, накаплива­ ющее энергию, величина реактивности которого периодиче­ ски изменяется энергией высокой частоты, потребляемой от местного генератора на частоте /з, отличающейся в общем случае от входной частоты / 1.

Для уяснения физических принципов работы параметри­ ческого усилителя рассмотрим изображенный на рис. 77,а колебательный контур, состоящий из индуктивности L и кон­ денсатора C(t), емкость которого может меняться в резуль­ тате перемещения одной из его пластин. Сопротивление R характеризует активные потери в контуре.

Представим себе, что к контуру подведено небольшое переменное синусоидальное напряжение сигнала с частотой Д .

110