Владимир Поляков - Посвящение в радиоэлектронику
Вот пример сложного сигнала Относительно длинный радиолокационный импульс разбивается на некоторое число более коротких отрезков. В течение каждого отрезка фаза сигнала имеет значение либо 0, либо 1, в соответствии с цифровым двоичным кодом. Код Баркера, например, обладает интересным свойством: помноженный на такой же код с некоторым сдвигом и усредненный, он дает максимальное значение результата только в том случае, когда сдвиг равен нулю. В приемнике отраженный сигнал детектируется фазовым детектором и подается на сравнивающее устройство, в котором уже заложен переданный код. Когда все разряды сравниваемых кодов совпадают, на выходе сравнивающего устройства появляется сигнал совпадения. На рисунке показан семиразрядный код Баркера.
Фазоманипулированный сигнал.
Хотя длительность всего импульса в семь раз больше длительности передачи одного разряда, разрешающая способность РЛС по дальности будет соответствовать именно длительности одного разряда. Энергия всего импульса увеличится в семь раз, что повысит и дальность действия, и точность определения скорости. Возможность когерентного накопления сигнала, т. е. суммирования амплитуд многих последовательно излучаемых импульсов, достигается лишь тогда, когда фаза следующих друг за другом импульсов не изменяется. Передатчик в этом случае уже нельзя выполнить в виде автогенератора, например, на магнетроне. Нужен задающий генератор, вырабатывающий непрерывные колебания со стабильной частотой и фазой и усилитель мощности с импульсной модуляцией.
Новые требования, предъявляемые к РЛС, привели к разработке совершенно новой техники. С появлением транзисторов мощные мегаваттные передатчики РЛС постепенно ушли в прошлое. Что же, уменьшилась излучаемая мощность? Ничуть не бывало! Даже возросла. Только создаваться она стала не одним мощным передатчиком, а многими маломощными. Вот как это случилось.
ЭВМ управляет радаром
Опять управление? Конечно. В радиолокации, как нигде, мы сталкиваемся с такими тремя китами современной электроники, как управление, сигналы, информация. Надо управлять диаграммой направленности антенны и ее положением в пространстве, надо управлять формой сигнала и, наконец, надо обрабатывать принятые сигналы и извлекать из них информацию об объектах. Интуитивно ясно, что лучше всего с этими задачами справится компьютер. А как он будет это делать, я сейчас расскажу.
Подлинная революция в радиолокационной технике началась с изобретением фазированных антенных решеток. Представьте себе плоскость, равномерно заполненную излучателями: диполями, раскрывами маленьких рупоров или просто щелями в волноводах. Плоскость — это раскрыв антенны. Математики рассчитали: чтобы получить заданную диаграмму направленности, надо создать определенное распределение амплитуд и фаз излучаемого поля в раскрыве. Диаграмма и распределение по раскрыву однозначно связаны. Нужное распределение легко получается, если регулировать амплитуды и фазы волн, создаваемых отдельными излучателями. Но не вручную же регулировать! Конечно, нет. Электрическим путем, а управляющие сигналы пусть вырабатывает компьютер.
Открывающиеся возможности поистине огромны. Можно сформировать луч любой конфигурации. Можно не один, а три, двенадцать лучей, сколько угодно! Как многоглазое существо, радар с фазированной антенной решеткой может следить каждым глазом-лучом за своей целью. И незачем теперь конструировать один мощный магнетрон — пусть каждый излучатель питается от своего маломощного транзисторного усилителя мощности. А все усилители получат возбуждение от одного высокостабильного задающего генератора. Таким образом заодно будет решена и проблема когерентности излучения. Фазированная антенная решетка может содержать тысячи и даже десятки тысяч элементов. Если изготавливать их традиционным способом — с широким использованием ручного труда слесарей и радиомонтажников, стоимость РЛС получится очень высокой. На помощь приходит интегральная технология.
Интегральные СВЧ микросхемы? Да, теперь это уже реальность. На смену медным трубам-волноводам пришли микрополосковые линии передачи. На подложку из стекла или СВЧ керамики с двух сторон наносят металлизированные слои. Один слой служит «землей» или общим проводом. Другой слой протравливается, образуя линии передачи, фильтры, направленные ответвители — одним еловом, весь ассортимент волноводной СВЧ техники. На эту же подложку напаивают кремниевые кристаллы транзисторов, диодов и микросхем управления.
Фазированная антенная решетка.
Какие же результаты достигнуты за последние годы? Сказать «потрясающие» — значит не сказать ничего. Вот несколько цифр. Один из последних представителей эпохи «гигантомании» американский радар системы дальнего обнаружения и оповещения BMEWS. Он обеспечивает дальность действия по малым воздушным целям до 5000 км, мощность в импульсе 50…70 МВт, имеет полноповоротное зеркало диаметром несколько десятков метров.
Ну а более современный радар с фазированной антенной решеткой?
В одном из подобных радаров решетка содержит 1000 элементов, и каждый излучает в импульсе мощность по 1 МВт. Таким образом, общая мощность, излучаемая антенной, достигает 1000 МВт. Добавьте сюда обработку и накопление сигнала с помощью цифровой ЭВМ, и получится результат совсем уж невероятный: объект величиной с маленький арбуз этот локатор обнаружит на расстоянии 1600 км.
Когда техника развивается и преодолевает новые рубежи, должны появляться открытия. Они и последовали. Было открыто, например, радиоизлучение Солнца. Ничего удивительного в этом факте, конечно, нет: излучает ведь Солнце в диапазоне видимых световых электромагнитных волн, так почему бы ему и не излучать в радиодиапазоне? Удивительно другое — радиоизлучение Солнца открыли, изучая после второй мировой войны рассекреченные документы Британской радиолокационной службы ПВО. Вы помните, что вдоль побережья Англии была построена цепь РЛС. «Смотрели» они на восток, откуда ожидались немецкие самолеты, а потом и ракеты, небезызвестные ФАУ-1 и ФАУ-2. И каждое утро уровень помех на экранах радаров возрастал. Думали, что это немцы создают искусственные помехи. Но, сопоставив время появления помех с астрономическими данными о времени восхода Солнца, получили точное совпадение. Открытие было сделано в 1944 году на волне 1,87 м. Теперь радиоастрономы постоянно наблюдают радиоизлучение Солнца на всех волнах — от миллиметровых до метровых, что помогает предсказывать магнитные бури и нарушения радиосвязи на Земле. Прекрасный пример неожиданного астрономического открытия, а также иллюстрация того, сколь велика чувствительность радиолокационных приемников, ведь поток радиоизлучения Солнца очень мал. На волне 1,5 м он примерно в 200000 раз меньше, чем от 50-ваттного радиопередатчика, работающего на той же волне и удаленного на 100 км.
Другое открытие. Когда мощность передатчиков и чувствительность приемников РЛС дальнего обнаружения намного возросли (помните арбуз на расстоянии 1600 км?), стали регистрировать отражения неизвестно от чего. «Опять обнаружили «ангелов» — шутили специалисты. Ну добро бы туча попала в диаграмму направленности. Отражения от облаков получаются, они хорошо известны, ведь капли воды, хотя и незначительно, рассеивают электромагнитные волны. К слову сказать, еще во время войны часто наблюдали отражения от облаков, правда искусственных облаков из станиолевых полосок. Экипаж каждого бомбардировщика союзников, отправляясь с грузом бомб в очередной налет на Германию, брал с собой несколько мешков фольги, мелко нарубленной короткими ленточками-диполями. В месте предполагаемого обнаружения самолета немецкими РЛС мешок фольги просто высыпался за борт. Долгое время полоски фольги, кружась, опускались на землю. А на экране радара вида о было лишь устрашающе огромное отражение от облака фольги, в котором тонуло маленькое пятнышко отражения от самолета. Так зародилось то, что потом получило название радиоэлектронного противодействия.
Это история. Сейчас метеорологические РЛС обнаруживают каждую дождевую тучу, каждое градовое облако, что позволяет заблаговременно оповещать о них работников сельского хозяйства.
Но вернемся к «ангелам». В воздухе заведомо ничего нет, в лучшие телескопы не видно ни пятнышка, посланный истребитель слетал и ничего не обнаружил, а отражение на экране есть. Исследуя характер и распределение по толще атмосферы отражений от «ангелов», ученые пришли к выводу, что виноваты неоднородности показателя преломления чистого воздуха. В нормальных условиях он очень мал: всего 1,0003. Измеряют его обычно в N единицах — миллионных долях разности между значением показателя преломления и единицей. В обычных условиях получается 300 N единиц. Приходилось ли вам видеть клубы дыма или пара над большим костром, пожарищем или крупной теплоэлектростанцией? Разумеется, видели. Теплый воздух поднимается вверх неравномерно, а очагами, клубами. То же самое получается и в ясный летний день. Клубы нагретого от земли воздуха, совершенно невидимые глазом, поднимаются от нагретой земли кверху. Их характер и расположение видел каждый, когда в летнее утро на безоблачном прежде небе появляются первые легкие кучевые облака. Каждое облако — вершина клуба теплого воздуха, поднявшегося с земли. Показатель преломления зависит от температуры и влажности, поэтому внутри клуба теплого воздуха он отличается на несколько N единиц. Этого достаточно, чтобы создать слабое радиолокационное отражение. Таким образом, локатор дал аэрологам, физикам и метеорологам новое средство исследования структуры атмосферы.
