книги из ГПНТБ / Листов, Константин Михайлович. Радио и радиолокационная техника и их применение

БЛОК-СХЕМА РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СТАНЦИИ

Работу радиолокационной станции, как и любого другого радиотехнического устройства, лучше всего начинать рассмат­

(генерирование радиоволн, прием отраженных сигналов, измерение дальности объекта и т. п.). Для этой цели обычно прибегают к так называемой блок-схеме станции, на которой изображаются основные блоки станции, указываются их на­ значение и'функциональная связь между ними.

Упрощенная ' блок-схема импульсной радиолокационной станции изображена на рис. 115.

Рис. 115. Упрощенная блок-схема радиолокационной станции

Как следует из блок-схемы, аппаратуру радиолокационной станции можно подразделить на пять основных групп: радио­ передатчик, антенную систему, приемник, индикаторное уст­ ройство с системой определения координат и управления вра­ щением антенны и синхронизатор. Кроме того, в состав каж­ дой радиолокационной станции должен входить источник электропитания.

Синхронизатор. Как мы уже знаем, импульсная радиолока­ ционная станция излучает через определенные промежутки времени импульсы радиоволн. «Ритм», или, как обычно гово­ рят, частоту повторения этих импульсов, и задает блок син­ хронизации станции, управляя работой модулятора и через него передатчиком станции. Вместе с тем блок синхронизации вырабатывает управляющие сигналы, позволяющие согласо­

219

вывать по времени (синхронизировать) с работой передатчика работу приемника, блоков индикации и определения коорди­ нат, определять временные соотношения электрических про­ цессов в ряде других блоков станции.

Конструктивно синхронизатор может быть выполнен в виде отдельного блока или представлять единое целое с мо­ дулятором или индикаторным блоком станции, а в некоторых, наиболее простых станциях он может и вообще отсутствовать. В последнем случае частота повторения зондирующих им­ пульсов задается модулятором или даже непосредственно пе­ редатчиком станции.

Модулятор радиолокационной станции управляет работой генераторных ламп передатчика, обеспечивая при работе в импульсном режиме включение и выключение. Для этой цели модулятор, используя импульсы, поступающие от синхрони­ затора, формирует мощные импульсы • необходимой ампли­ туды, формы и длительности.

Частота включения генератора, а следовательно, и частота повторения излучаемых (зондирующих) импульсов опреде­ ляются частотой поступления импульсов от синхронизатора. Продолжительность работы генератора при каждом его вклю­ чении (т. е. длительность зондирующего импульса) зависит от длительности формируемого в модуляторе импульса.

В радиолокационных станциях, в которых синхронизатора нет, частота повторения зондирующих импульсов опреде­ ляется непосредственно модулятором станции.

Говоря о модуляторах, применяемых в большинстве ра­ диолокационных станций, следует указать на одну особен­ ность их электрических схем, связанную с импульсным мето­ дом работы. В момент излучения зондирующего импульса пе­ редатчик расходует большую импульсную мощность (сотни и тысячи киловатт). Потребление такой мощности непосред­ ственно от источника питания создало бы неблагоприятные условия для работы станции и потребовало бы принятия спе­ циальных мер против падения напряжения на выходе источ­ ника питания. Поэтому модуляторы имеют специальные эле­ менты, накапливающие энергию в периоды пауз в работе пе­ редатчика и предотвращающие перегрузку, источника пита­ ния в моменты излучения импульсов. .

Во время пауз в работе передатчика энергия постепенно потребляется от источника питания (например, высоковольт­ ного выпрямителя) и накапливается в накопителе модуля­ тора. Таким накопителем может быть конденсатор, катушка индуктивности или искусственная линия, образуемая из по­ следовательно включенных ячеек, состоящих из конденсаторов и катушек индуктивности, В момент генерации зондирующих импульсов модулирующее устройство, включенное в цепь разряда, замыкается и к электродам генераторной лампы

220

прикладывается напряжение, имеющееся на накопительном элементе (за исключением напряжения, теряемого в модули­ рующем устройстве). Происходящий при этом частичный раз­ ряд накопительного элемента обеспечивает генераторную лампу энергией, необходимой для возникновения и поддер­ жания в ней колебаний высокой частоты. Следующее через небольшой промежуток времени размыкание модулирующего устройства разрывает цепь разряда' и генерация импульса высокой частоты прекращается.

В качестве модулирующих устройств могут применяться электровакуумные (триоды и тетроды) и газонаполненные (тиратроны) лампы, а также электромеханические устрой­ ства. Электровакуумные и газонаполненные лампы отпи­ раются положительным импульсом напряжения, формируе­ мым в модуляторе.

Включенный в цепь заряда ограничитель, представляющий собой активное сопротивление или катушку индуктивности (применение последней с энергетической точки зрения более целесообразно), выполняет в модуляторе две важные функ­ ции: в период пауз обеспечивает постепенный заряд на­ копительного элемента, а в моменты генерации зондирующих импульсов предотвращает возникновение больших токов в цепи заряда, защищая тем самым источник питания от пере­ грузки.

Таким образом, модулятор станции обеспечивает включе­ ние высокочастотного генератора через -определенные проме­ жутки времени и генерирование им импульсов заданной формы и длительности.

Как легко заметить, импульсная модуляция является раз­ новидностью амплитудной, так как Модулятор изменяет ампли­ туду генерируемого станцией сигнала от некоторого макси­ мального значения (в момент излучения импульса) до нуля (в период пауз в работе передатчика).

В радиолокационных станциях, работающих в режиме не­ прерывного излучения радиоволн, модуляторы могут быть ис­ пользованы для фазовой или частотной модуляции излучае­ мого сигнала. Так, например, в самолетных радиолока­ ционных высотомерах малых высот, с которыми читатель познакомится в разделе, посвященном описанию радио­ локационных средств ПВО, модулятор служит для плавного изменения частоты излучаемых колебаний в заданных пре­ делах.

Генератор. В качестве генераторных ламп в станциях при­ меняются, как правило, специальные высокочастотные триоды, магнетроны и клистроны. Триоды используются в основном в станциях метрового и дециметрового диапазонов волн. В мощ­ ных передатчиках сантиметровых волн триодные генераторные лампы неприменимы. Во-первых, это связано с тем, что при

221

высоких частотах (сантиметровые волны соответствуют ча­ стотам 3000 Мгц и выше) на работу лампы начинает влиять инерция электронов и время пролета их от катода к аноду становится сравнимым с периодом колебаний.

Остановимся на этом явлении более подробно. Как из­ вестно, генераторная лампа, включенная в колебательный контур, поддерживает в нем незатухающие колебания, по­ полняя энергию в такт происходящим колебаниям. Для этого на сетку лампы подается переменное напря­ жение, которое отпирает и запирает лампу в определенные моменты времени синхронно с возникающими в контуре колебаниями. При работе лампы в диапазоне более низких ра­ диочастот движущиеся от катода к аноду элек­ троны, пролетая междуэлектродное простран­ ство за ничтожную долю периода колебаний, достигают анода, в требуемые моменты вре­ мени. При таких частотах лампа может счи­

таться безынерционным прибором.

При работе в диапазоне сверхвысоких ча­ стот длительность периода колебаний оказы­ вается настолько малой, что она становится сравнимой с временем пролета электронами междуэлектродного пространства. В резуль­ тате элект-роны достигают анода с опозданием (со сдвигом по фазе), что снижает коэффи­ циент полезного действия лампы. Поэтому каж­

дая лампа имеет определенную предельную рабочую частоту, при превышении которой лампу вообще нельзя применять. Для сдвига предельной частоты в область более высоких ча­ стот были разработаны специальные конструкции высокоча­ стотных триодов — лампы маячкового типа (рис. 116), у ко­ торых расстояние между катодом, сеткой и анодом было сде­ лано очень небольшим. Однако при этом увеличилась воз­ можность пробоя между электродами, в связи с чем эти лампы используются для генерирования колебаний небольшой мощ­ ности только в приемных устройствах или небольших мало­ мощных передатчиках диапазона сантиметровых волн.

Второй фактор, влияющий на качество работы триодов в диапазоне сверхвысоких частот,— это междуэлектродные емкости и индуктивности вводных контактов ламп. Между­ электродные емкости шунтируют рабочие цепи лампы, а ин­ дуктивности вводов создают большие сопротивления. Кроме того, эти емкости и индуктивности создают паразитные связи между элементами схемы, нарушающие нормальный режим работы колебательного контура.

В связи с указанными выше-отрицательными свойствами триодных генераторов на сверхвысоких частотах в передат-

222

чнках радиолокационных станций сантиметрового и примы­ кающей к нему части дециметрового диапазонов волн приме­

Открытые двухпроводные линии состоят из двух парал­ лельных проводников, расположенных для уменьшения по­ терь на излучение на небольшом расстоянии один от другого и закрепленных изолирующими распорками, фиксирующими взаимное расположение проводов.

В закрытой двухпроводной линии проводники окружены

223

йыбод о т ра ж ат ел я

а наст раиВоющее ^ 'устройство

О т р а ж а т е л ь

Объемный

резонатор

■Петля Выбода

Кат од

Корпус-

Остальные

ионоль

Коаксиальный

ВыВод

Рис. 118. Общий вид клистрона

Л H R ijx n p o Q o d H b ie п и н и и

Рис. 119. Линии передач высокочастотной энергий:

А — двухпроводные линии, открытые (о) и экранированные (6); Б — коак­

сиальные линии, гибкие (в), твердые с диэлектрическими изоляторами (г) и металлическими изоляторами (б); В ’— волноводы круглого (е) и прямо­ угольного (ж) сечения; гибкая секция волновода (з)

224

экранирующей металлической оболочкой, что предотвращает излучение линии и прием ею внешних радиосигналов, создаю­ щих помехи, особенно когда линия работает на прием.

Коаксиальная линия имеет только один внутренний про­ водник, а вторым проводником в ней служит внешняя метал­ лическая оболочка. В гибком коаксиальном кабеле простран­ ство между внешним и внутренним проводниками заполнено диэлектриком, допускающим изгиб фидера, например поли­ этиленом или бусинками из твердого диэлектрика (высокоча­ стотного фарфора и т. п.). Внешний проводник в таком ка­ беле представляет собой металлическую оплетку, защищен­ ную сверху изоляционным слоем.

Твердая коаксиальная линия имеет жесткие внутренний и внешний проводники, причем последний выполняется в виде металлической трубки и закрепляется с помощью диэлектри­ ческих шайб либо специальными четвертьволновыми метал­ лическими изоляторами.

Волноводы, наиболее часто применяемые в радиолока­ ционных станциях сантиметрового и миллиметрового диапа­ зонов, представляют собой полые металлические трубы круг­ лого или прямоугольного сечения, внутри которых происходит передача радиоволн. Чтобы при неподвижном положении приемно-передающей аппаратуры станции антенна могла по­ ворачиваться на определенный угол, используются отрезки гибких волноводов, а чаще всего — специальные вращающиеся сочленения фидеров. Если приемно-передающая аппаратура смонтирована на одном основании с антенной и вместе с ней поворачивается, вращающиеся сочленения отсутствуют.

к аппаратуре

а — типа „волновой канал"; 6 — с плоскопараллельным расположением вибраторов

Антенны. Для излучения зондирующих импульсов и приема отраженных радиосигналов в радиолокационных станциях применяются антенны различных типов и конструкций, обеспечивающие, как правило, направленное излучение и прием.

В диапазоне метровых волн в основном применяются ан­ тенны типа «волновой канал» или антенны с плоскопарал­ лельным расположением излучателей (рис. 120 ), в диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн — параболические, ру­ порные, щелевые и линзовые антенны (рис. 121). Каждая из этих антенн имеет свои преимущества и недостатки, и выбор той или иной антенны определяется тактическим назначением станции и предъявляемыми к ней требованиями.

Рис. 121. Антенны сантиметровых и миллиметровых волн:

а — с отражателем в форме параболоида вращения; б — рупорная; в — щелевая; г — лин­

зовая (стрелками показано направление максимума излучения)

Антенный переключатель. Импульсный метод работы ра­

них наступает длительная пауза в работе генератора станции и слабые отраженные сигналы не подавляются мощными им­ пульсами своего передатчика.

Однако постоянное подключение передатчика и приемника станции к одной антенне привело бы к порче высокочувстви­ тельных входных цепей приемного тракта станции мощным зондирующим импульсом. Для предотвращения этого прием­

передача». Этот переключатель автоматически отключает приемник от антенны в момент посылки передатчиком зонди­ рующего импульса и вновь подключает его после окончания импульса. Большая частота повторения циклов работы переключателя (до нескольких тысяч в секунду), определяе­ мая частотой повторения зондирующих импульсов, в сочета-

226

Рис. 122. Общий вид разрядника (а) и схема, его включения в фидерную линию (б)

нии с необходимостью отключать и подключать приемник за единицы и десятые доли микросекунды требует применения автоматических быстродействующих электронных переклю­ чателей.

Основной элемент такого электронного реле — газонапол­ ненная лампа — разрядник (рис. 122). В ней под действием подводимых к ее электродам мощных импульсов происходит разряд, изменяющий входное сопротивление лампы и отклю­ чающий тем самым приемник от антенны на время работы передатчика. По окончании работы передатчика разряд пре­ кращается и приемник оказывается вновь подключенным к антенне. Слабые отраженные сигналы не вызывают разряда в разряднике и проходят к приемнику.

Таким образом, отраженные сигналы принимаются антен­ ной, проходят через переключатель «прием — передача» и по­ ступают на вход приемника (рис. 123). Чтобы они не посту­ пали одновременно и в передатчик станции (что привело бы

ких ослаблению и уменьшению дальности действия станции),

внекоторых типах станций к фидеру на участке между гене­ ратором и ответвлением фидера к приемнику присоединяют электронный переключатель «передача — прием». По прин­ ципу работы он аналогичен переключателю «прием — пере­ дача», но включен в схему так, что в моменты генерирования

импульсов происходящий в разряднике разряд замыкает цепь

А нтеннА

У

Рис. 123. Блок-схема приемника

(т. е. в промежутки между зондирующими импульсами), ге­ нератор отключается от антенны и принимаемые отраженные

ствия станции стараются максимально сократить отрезок фи­ дера между антенной и приемником и тем самым уменьшить степень ослабления отраженного сигнала в фидерном тракте станции.

Так как в ряде случаев весь приемник устанавливать в не­ посредственной близости от антенны как с конструктивной, так и с эксплуатационной точки зрения бывает нецелесооб­ разно, то около антенны размещают первые каскады прием­ ника, в которых происходит предварительное усиление при­ нимаемого сигнала, после чего сигнал по фидеру передается

кглавным каскадам приемника.

Встанциях метрового диапазона, где усилить принимае­ мый сигнал относительно просто, первыми вынесенными ка­ скадами приемника бывают усилители высокой частоты, а ге­ теродин и смеситель, служащие для преобразования частоты принимаемого сигнала, располагаются вместе с остальными главными каскадами приемника. Частота сигнала преобра­ зуется с целью получения сигнала более низкой (промежу­ точной) частоты, усилить который до нужной величины можно при меньшем количестве и менее сложных схемах каскадов приемника.

Встанциях сантиметрового диапазона волн, где для уси­ ления по высокой частоте требуются довольно сложные устройства, каскады усиления по высокой частоте могут от­ сутствовать. В этом случае размещаемые в непосредственной близости от антенны каскады приемника' содержат гетеродин, смеситель и несколько каскадов усилителя промежуточной частоты. Однако в станциях, предназначенных для обнаруже­ ния целей на больших дальностях или для работы по неболь­ шим целям и принимающих в связи с этим очень слабые отра­ женные сигналы, в схемы приемников стремятся вводить уси­ лители высокой частоты. Заметим, что повышение чувстви­ тельности приемников радиолокационных станций играет очень большую роль, так как позволяет уменьшить мощность

передатчика станции и снизить тем самым мощность первич­ ных источников питания, вес и габариты всей станции.

228