Владимир Поляков - Посвящение в радиоэлектронику
-
Параболические антенны.
Диаграмма игольчатого типа нужна далеко не всегда. Например, для корабельной РЛС важно определить пеленг объекта (другого корабля), а его высоту определять не нужно. В этом случае целесообразно выбрать диаграмму направленности «ножевого» типа — узкую в горизонтальной плоскости и широкую в вертикальной.
Диаграмму «ножевого» типа создает антенна с прямоугольным раскрывом, широким в горизонтальной плоскости и узким — в вертикальной. Подобные же антенны используют и в самолетных РЛС кругового обзора. Более того, чтобы скомпенсировать естественное ослабление сигналов, приходящих с больших дальностей, используют косекансную диаграмму, показанную на рисунке. Она формируется благодаря специальной форме зеркала. Только не подумайте, что зеркала антенн радиолокаторов действительно имеют зеркальную поверхность. Этого совсем нс требуется. Любая поверхность будет зеркальной для длин волн, намного больших, чем размер неоднородностей поверхности. Обычно считают, что размер неоднородностей не должен превосходить 1/8 длины волны, т. е. λ/8. Для обычного оптического зеркала, отражающего световые волны с длиной 0,5 мкм, размер шероховатостей не должен превышать сотых долей микрометра. А зеркало локатора, работающего на длине волны 10 см, можно выполнить даже из металлической сетки с размером ячеек около 1 см. Так обычно и делают, чтобы уменьшить массу зеркала и ветровую нагрузку.
Косекансная диаграмма направленности самолетной РЛС с ИКО
Но вернемся к генераторам. В годы второй мировой войны были разработаны конструкции принципиально новых генераторов сантиметровых волн — клистронов и магнетронов. В клистроне электронный луч формируется подобно тому, как это делается в ЭЛТ. Луч проходит последовательно через два объемных резонатора, настроенных на одну и ту же частоту. Если к первому резонатору подвести СВЧ колебания, луч окажется промодулированным по скорости. Электроны, пролетевшие резонатор за один полупериод колебаний, ускоряются, поскольку электрическое поле «подталкивает» их, а электроны, пролетевшие за второй полупериод, замедляются, так как их тормозит электрическое поле, и их скорость уменьшится. По пути ко второму резонатору электроны сгруппируются в «пакеты», поскольку «быстрые» электроны догонят «медленные». На еще большем расстоянии пакеты электронов снова рассеются, но для нас это уже неважно. Там, где электроны сгруппировались, стоит второй резонатор и возбуждается пакетами электронов или волнами их пространственного заряда. Энергия колебаний, отдаваемая электронами во второй резонатор, оказывается намного больше энергии, затраченной на модуляцию электронного луча. Так действует клистрон-усилитель. В генератор его превратить несложно, достаточно часть энергии из второго резонатора направить обратно, в первый.
Еще оригинальнее решена проблема генерации в отражательном клистроне. Он содержит только один резонатор. Пролетевшие сквозь резонатор электроны возвращаются обратно специальным электродом-отражателем, на который подан отрицательный потенциал — Uотр. Сгруппированные пакеты снова пролетают сквозь резонатор, отдавая запасенную энергию. Отражательные клистроны долгие годы служили гетеродинами в радиолокационных приемниках.
Клистрон-усилитель и отражательный клистрон.
Большую колебательную мощность отдает магнетрон — многорезонаторное электронное устройство. Он содержит мощный катод в виде трубки и еще более мощный анодный блок, выполненный из меди, с профрезерованными в нем резонаторами. Каждый резонатор открывается в сторону катода щелью. Вся конструкция помещается между полюсами мощного электромагнита так, чтобы магнитное поле было направлено по оси катода. На анод подается высокое положительное напряжение. Вылетевшие из катода электроны устремляются к аноду, но не тут-то было! В магнитном поле на электрон действует сила Лоренца, пропорциональная его скорости. В результате траектория электрона искривляется и превращается в циклоиду. «Рой» электронов мчится вокруг катода под воздействием двух полей — электрического поля анода и магнитного поля электромагнита. В своем движении электронный поток проходит мимо щелей резонаторов и модулируется ими по скорости. Сформировавшись в «пакеты», поток отдает энергию резонатору, и вся система начинает генерировать СВЧ колебания. Все резонаторы сильно связаны между собой электронным потоком, поэтому отбор энергии производится только из одного резонатора. Магнетроны дали возможность генерировать очень большие импульсные мощности на сантиметровых волнах, благодаря чему резко повысилась дальность действия и точность РЛС.
Магнетрон.
Что же касается приемников сантиметровых волн, то наибольшее распространение получил супергетеродин с кристаллическим смесителем (СМ) на входе. Специальный полупроводниковый диод с малой емкостью p-n перехода монтируется прямо в волноводе, идущем от антенного переключателя. К принимаемому сигналу добавляется сигнал местного гетеродина, собранного на маломощном отражательном клистроне. Частота гетеродина отличается от частоты принимаемых импульсов на значение, равное промежуточной частоте (ПЧ). Промежуточная частота выбирается в диапазоне 30…100 МГц, т. е. там, где сравнительно несложно получить большое усиление с помощью электронных ламп или транзисторов. Основное усиление сигнала происходит в тракте ПЧ. Оно может достигать 106. Принимаются меры по выравниванию амплитуд сильных и слабых отраженных сигналов. К ним относятся усилители ПЧ с логарифмической амплитудной характеристикой, различные системы автоматической регулировки усиления. На входе приемника сильные сигналы от близких объектов и слабые от далеких целей могут различаться на 100…120 дБ. В усилителе ПЧ эта разница уменьшается до 20…30 дБ, и тогда все отражения будут хорошо видны на экране индикатора. Последними элементами структурной схемы приемника являются детектор и усилитель видеоимпульсов.
Супергетеродинный приемник РЛС.
Стремление увеличить дальность действия привело к тому, что радиолокация, как и многие другие области техники, пережила эпоху «гигантомании». Создавались все более мощные магнетроны, антенны все больших размеров, устанавливавшиеся на могучих поворотных платформах. Платформа вращалась со скоростью несколько оборотов в минуту, и поэтому операторы не выдерживали более двух часов подобной карусели. В последующих разработках операторы уже размещались вне поворотных платформ. Мощность PЛC достигала 10 и более мегаватт (миллионов ватт) в импульсе. Более мощные передатчики создавать было уже физически невозможно: резонаторы и волноводы не выдерживали высокой напряженности электромагнитного поля, в них происходили неуправляемые разряды. Появились данные и о биологической опасности высококонцентрированного излучения РЛС. Кто-то из операторов зимой погрел руки в фокусе параболической антенны. На руках перестали заживать царапины, а нервные каналы и лимфатические узлы воспалились. Со временем появились нормы на предельную плотность потока СВЧ энергии, допустимые для работы человека (кратковременно допускается до 10 мВт/см2).
Итак, мощности дошли до предела. Но у радара, выполненного по традиционной, уже описанной схеме есть еще много других внутренних противоречий. Например, между точностью определения координат и временем поиска цели. Для повышения точности нужен «игольчатый» луч. Но обнаружить им цель в безбрежном воздушном океане — это все равно, что найти иголку в стоге сена! Искать цель лучше широким лучом. Следовательно, надо управлять формой луча. Но как это сделать, если антенной служит несгибаемое, штампованное из металла зеркало, закрепленное на литой станине?
Другая проблема. Надо узнать дальность до самолета и его скорость. Скорость лучше всего определяется доплеровским методом, по разности частот посланного и отраженного импульсов. Но импульс надо сделать как можно короче, чтобы точнее измерить дальность. А чем короче импульс, тем с большей погрешностью определяется его частота. Ведь для этого надо сосчитать число периодов за определенный промежуток времени. Этот промежуток равен длительности импульса; чем она меньше, тем меньше периодов укладывается в импульсе и тем хуже точность определения скорости. Следовательно, нужно управлять и формой импульса: во время измерения дальности импульс надо сделать коротким, а во время определения скорости длинным. Ученые предложили и другое, лучшее решение — излучать сравнительно длинные импульсы, а внутри импульса ввести модуляцию, т. е. изменять частоту или фазу колебаний по определенному закону. Такие сложные радиолокационные сигналы позволили преодолеть роковое «соотношение неопределенности» в радиолокации и одновременно повысить точность определения и дальности, и скорости.
