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

Для получения усиления будем механически раздвигать пластины конденсатора на расстояние Ас/ в те моменты, ког­ да напряжение ис и заряд q максимальны, и сближать их., когда напряжение ис равно нулю (рис. 77,в). При увеличе­ нии расстояния d на Ad емкость конденсатора уменьшится на

величину АС. так как С ^ —. Так как напряжение на конден- d

саторе в течение одного периода дважды достигает максиму­ ма, то в соответствии с рис. 77,в механическое перемещение пластин должно происходить с частотой, равной удвоенной частоте усиливаемого сигнала.

к

Уменьшение емкости конденсатора обусловливает повы­ шение напряжения на конденсаторе при неизменной величине заряда <?:

Дцс = </(---- !-----------

\ C - A C С )

Между пластинами конденсатора при их раздвижении су­ ществует электрическое поле и взаимное притяжение пластин. Чтобы раздвинуть пластины, необходимо затратить некото­ рую энергию A W. Согласно закону сохранения энергии ме­ ханическая энергия, затраченная на раздвигание пластин, пре-

Ш

происходит передача энергии от внешнего источника в контур. Величину передаваемой контуру энергии определим следую-' шим образом.

Энергия электрического поля конденсатора до раздвиже-

Полагая ис _ ---- - ) получим:

С

W

2 С

Полный дифференциал этого выражения при условии,

когда q —const

d W = — q2d C

2 C2

Переходя к конечным приращениям, будем иметь:

к непрерывному возрастанию амплитуды колебаний в конту­ ре до тех пор, пока энергия, затрачиваемая на раздвигание пластин, не будет равна энергии, рассеиваемой контуром.

Таким образом, рассмотренная система представляет со­ бой усилитель мощности. В этом усилителе энергия, подводи­ мая от устройства, изменяющего емкость конденсатора, пре­ образуется через накопительный реактивный элемент в энер­ гию сигнала. Устройство, отдающее энергию, называется гене­ ратором накачки.

Для обеспечения максимальной передачи энергии в кон­ тур необходимо выполнение двух условий:

—изменение емкости должно происходить с частотой, точ­ но равной удвоенной частоте сигнала;

—изменение емкости должно происходить таким образом,

112

чтобы ее уменьшение совершалось в моменты, соответствую­ щие максимумам напряжения и заряда на конденсаторе.

В практических системах параметрических усилителен емкость изменяется не механическим, а электрическим путем в результате воздействия синусоидального напряжения ге­ нератора накачки на полупроводниковый диод, емкость ко­ торого зависит от величины приложенного к нему напря­ жения.

В полупроводниковом диоде, включенном в параметриче­ ский усилитель, в качестве реактивного элемента использу­ ется емкость р — п перехода. Известно, что в диоде имеется запорный слой, свободный от подвижных носителей заряда, который расположен между проводящими р и я слоями. В ре­ зультате образуется система, эквивалентная конденсатору с пластинами, разнесенными на расстояние, равное ширине этого обедненного носителями слоя.

При подключении положительного потенциала внешнегоисточника питания к слою р, а отрицательного к слою п за­ порный слой сужается и емкость этого конденсатора увели­ чивается. При обратном включении источника напряжения емкость конденсатора будет уменьшаться за счет расшире­ ния слоя. Следовательно, емкость конденсатора будет изме­ няться с изменением приложенного напряжения.

Молекулярные усилители высокой частоты. Как уже отме­ чалось выше, предельная чувствительность радиолокационно­

Принцип действия молекулярного усилите'ля сводится к следующему. При взаимодействии элементарных частиц, из которых состоят атомы и молекулы вещества (электронов, протонов), их внутренняя энергия может принимать только вполне определенные дискретные значения. На основании квантовой теории можно утверждать, что всякое изменение внутренней энергии атомов и молекул, вызванное той или иной причиной, происходит скачком в пределах определен­ ных энергетических уровней.

Устойчивое состояние микросистемы (состояние термоди­ намического равновесия) можно иллюстрировать графиком рис. 78,а. На вертикальной оси отмечены энергетические уров­ ни, на горизонтальной — количество элементарных частиц. Распределение частиц по энергетическим уровням подчиня­ ется экспоненциальному закону (пунктирная кривая на рис. 78,а). Меньшей энергии соответствует большее число частиц,

источника. Переход частиц с одного энергетического уровня на другой происходит при определенной частоте возбуждения:

где h — постоянная Планка.

Можно, например, облучить систему электромагнитной энергией такой частоты ft,я, чтобы был вызван переход час­ тиц с первого уровня сразу на третий. Поглощаемая при этом энергия

(Ц,92)

При определенных условиях переход частиц на третий уровень может происходить столь интенсивно, что число час­ тиц на первом и третьем уровнях окажется одинаковым (рис. 78,6). В этом случае равновесие системы нарушается — на втором уровне частиц оказы­

внешних усиливаемых колебаний, т. е. имеет место усиле­ ние колебаний.

114

В радиолокационных приемниках может найти примене­ ние так называемый парамагнитный молекулярный усили­ тель, устройство которого показано на рис. 79 *.

Кристалл вещества, содержащего парамагнитные ионы, помещается внутри объемного резонатора, настроенного на Две частоты. Частота /1 соответствует частоте возбуждающей электромагнитной волны, вызывающей переход частиц с пер­ вого уровня на третий. Частота /а меньше частоты ft и соот­ ветствует частоте усиливаемых электромагнитных колебаний. Резонатор установлен в сосуд с жидким гелием и жидким азотом.

По одному из волноводов в резонатор подводятся возбуж­ дающая и усиливаемая электромагнитные волны соответст­ венно на частотах fi и /а. По второму волноводу осуществля­ ется вывод усиленной энергии на частоте /а.

Резонатор помещается в сильное магнитное поле. Величи­ на магнитного поля обеспечивает установление разности энер­ гии между первым и вторым уровнями. Этой разности соот-

Рабочая частота усилителя изменяется путем изменения на­ пряженности магнитного поля.

Использование кристаллов в молекулярных усилителях позволило сделать эти усилители достаточно широкополос­ ными, что имеет существенное значение при усилении радио­ локационных сигналов.

Молекулярные усилители на твердом теле' нашли приме­ нение в качестве предварительных усилителей в радиолокаци­ онных приемниках сантиметрового диапазона. Их выходная мощность измеряется пока долями ватта.

Исключение воздействия па работу такого усилителя шу­ мов входных цепей приемника достигается путем включения между усилителем и приемником ферритовых вентилей, про­ пускающих электромагнитные колебания только в одном на­ правлении— от усилителя к приемнику.

Необходимость охлаждения до низких температур, близ­ ких к абсолютному нулю, значительные габариты усилителя являются существенными недостатками молекулярных уси­ лителей; эти два недостатка сдерживают их широкое рас­ пространение в радиолокационной технике. Однако эти уси­ лители перспективны, так как они позволяют значительно

* Молекулярные усилители, в которых в качестве парамагнитного вещества применяют кристаллы, называют квантово-механическими уси­ лителями.

увеличить чувствительность радиолокационного приемника и, следовательно, дальность обнаружения целей.

За последнее время открыта возможность широкого при­ менения квантово-механических усилителей и генераторов на волнах оптического диапазона. Эти приборы иногда называют лазерами. В основе их построения заложены те же принципы, что и в молекулярном усилителе.

П реобразователь частоты. В супергетеродинном прием­

генератором высокой частоты —г е т е р о д и н о м. Преобразователь в своем составе имеет такие элементы,

воздействия на нелинейное сопротивление образуются ко­ лебания с новыми частотами. Среди этих колебаний будет и колебание с частотой, равной разности

Выделение колебаний разностной частоты осуществляется посредством колебательного контура, настроенного на проме­ жуточную частоту, равную / г — }с .

В отличие от коротковолновых и длинноволновых-супер­ гетеродинных приемников в радиолокационных приемниках1 на сантиметровых волнах в качестве смесителя используется кристаллический диод, а в качестве гетеродина — отражатель­ ный клистрон. Применение для преобразования частоты на сантиметровых волнах обычных мпогоэлектродных ламп за­ труднено ввиду того, что эти лампы создают большой уровень шумов и имеют малое входное сопротивление. Оба эти факто­ ра отрицательно сказываются на усилении полезного сигнала.

Устройство кристаллического преобразователя (детекто­ ра) показано на рис. 80. Кристаллический диод состоит из металлического острия, соприкасающегося с кристаллическим

116

полупроводником. В качестве контактной пары металл — по­ лупроводник могут быть взяты вольфрам и кремний.

В патроне (рис. 80) установлен кристалл кремния, с ко­ торым соприкасается острие вольфрамовой проволочки.

ис — U c cos u>c t.

в'г> и н / п е н н ы

г УПЧ

Рис. 81

117

+ b Uc Ur cos (u)r — <»c) t.

Из полученного выражения видно, что среди составляю­ щих тока, протекающего через кристалл, имеется составляю­

щая с частотой Шр—свс=шпр. На частоту / пр= -7, „ называ­

емую промежуточной, настроен колебательный контур с па­ раллельным соединением L и С, включенный в цепь кристал лического диода.

Для тока

контур представляет большое сопротивление, а для остальных составляющих — малое. Следовательно, на зажимах контура можно выделить напряжение полезного сигнала на часто­ те f Пр.

Усилители промежуточной частоты, применяемые в радио­ локационных приемниках, представляют собой ламповые уси­ лители с нагрузкой в виде колебательных контуров в анодной цепи. Все колебательные контуры усилителей имеют фикси­ рованную настройку. С целью достижения высокой избира­ тельности при необходимой полосе частот усилители проме­ жуточной частоты имеют два (а иногда и более) колебатель­ ных контура, связанных между собой. Применение в одном усилителе нескольких колебательных контуров позволяет по-

118

выми.

Полосовые усилители в сравнении с резонансными имеют более лучшую избирательность и форму резонансной кривой, что позволяет в свою очередь осуществлять равномерное уси­ ление полезных сигналов в опре­ деленной полосе частот (рис. 82).

Схемы выполнения полосовых усилителей могут быть различными. Широко, например, применяются двухконтурные усилители с индук­ тивной связью между контурами. Настройка контуров полосового усилителя на резонансную частоту выполняется при помощи магнетитовых сердечников катушек ин­ дуктивностей и полупеременных конденсаторов.

Детектор. Радиочастотный сигнал, принятый антенной при­

емника и усиленный усилителями высокой и промежуточной частот, в большинстве случаев не может быть использован

непосредственно в оконечном устройстве, подключаемом к выходу радиолокационного приемника. Радиочастотные им­ пульсы должны быть преобразованы в видеоимпульсы, т. е. необходимо выделить 'напряжение, форма кодорого соответ­ ствует огибающей радиоимпульсов. Этот процесс, по сущест­

Рассмотрим работу диодного детектора. При детектирова­ нии используется свойство односторонней проводимости дио­ да пропускать ток в анодной цепи только в одном направ­ лении: от анода к катоду. Схема диодного детектора изобра­

119

женана рис. 83. Высокочастотный сигнал промежуточной частоты действует на зажимах контура LiCi. Ток через диод течет только в течение положительных полупериодов (рис. 84). В цепи диода, кроме колебательного контура LiCi, включены параллельно сопротивление R» и конденсатор С2 (рис. 83). Импульс тока, проходя через цепь R „ — Сг, создает падение напряжения и заряжает конденсатор Сг. В паузе между им­ пульсами конденсатор Сг несколько разряжается на сопро­ тивлении /?„ . Следовательно, напряжение на сопротивле­ нии R н не падает до нулевой величины, а поддерживается примерно постоянным. В сеточной цепи лампы Лг видеоуси­ лителя дополнительно включается фильтр R>—Сз, сглажива­ ющий пульсации напряжения в течение длительности ра­ диоимпульса. Таким образом, подав на вход детектора ра­ диоимпульс (рис. 84), на выходе детектора получают преоб­ разованный сигнал, форма которого соответствует огибающей радиоимпульса.

t

t

Рис. 84

Видеоусилители предназначены для усиления видеоимпуль­ сов. Чтобы исключить искажение формы видеоимпульсов, ви­ деоусилители должны иметь достаточно широкую полосу частот. Полоса пропускания усилителя выбирается равной не менее половины полосы частот высокочастотных каскадов приемника, так как полоса спектра частот видеоимпульсов равна половине полосы спектра частот радиоимпульсов.

120