РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ПЕРЕДАТЧИКИ

6.1. ПРИНЦИП РАБОТЫ ИМПУЛЬСНОГО ПЕРЕДАТЧИКА

Передатчик, входящий в состав импульсной навигационной РЛС, предназначен для генерирования мощных кратковременных импульсов электрических колебаний сверхвысокой частоты (СВЧ) со строго определенной периодичностью, задаваемой схемой синхронизации.

Передатчик РЛС содержит генератор сверхвысокой частоты (ГСВЧ), подмодулятор, модулятор и источник питания. Структурная схема передатчика РЛС представлена на рис. 6.1.

Подмодулятор – формирует импульсы определенной длительности и амплитуды.

Импульсный модулятор – предназначен для управления колебаниями генератора СВЧ. В модуляторе вырабатываются видеоимпульсы высокого напряжения, которые подаются на вход магнетрона, вырабатывающего радиоимпульсы СВЧ заданной длительности. Принцип действия импульсных модуляторов основан на медленном накоплении запаса энергии в специальном накопителе энергии в промежуток времени между импульсами и быстрой последующей отдаче энергии нагрузке модулятора, т.е. магнетронному генератору, за время, равное длительности импульса.

В качестве ГСВЧ используются магнетроны и полупроводниковые генераторы СВЧ (диоды Ганна).

Структурная схема импульсного модулятора показана на рис. 6.2.

При размыкании коммутирующего прибора накопитель заряжается от источника постоянного напряжения через ограничитель (резистор), ограждающий источник питания от перегрузки. При замыкании прибора накопитель разряжается на нагрузку (магнетрон) и на его зажимах анод – катод создается импульс напряжения заданной длительности и амплитуды.

В качестве накопителя может использоваться емкость в виде конденсатора или разомкнутой на конце длинной (искусственной) линии. Коммутирующие приборы – электронная лампа (для ранее выпущенных РЛС), тиристор, нелинейная индуктивность.

Наиболее простой является схема модулятора с накопительным конденсатором. Схема такого модулятора содержит в качестве накопителя энергии: накопительный конденсатор, в качестве коммутирующего прибора: коммутирующую (модуляторную или разрядную) лампу, а также ограничительный резистор и магнетронный генератор. В исходном состоянии разрядная лампа заперта отрицательным напряжением на управляющей сетке (цепь разорвана), накопительный конденсатор заряжен.

При подаче на управляющую сетку лампы от подмодулятора прямоугольного импульса напряжения положительной полярности длительностью t_И разрядная лампа отпирается (цепь замыкается) и накопительный конденсатор разряжается на магнетрон. На зажимах анод – катод магнетрона создается модулирующий импульс напряжения, под действием которого магнетрон генерирует импульсы колебаний СВЧ.

Напряжение на магнетроне будет до тех пор, пока на управляющей сетке разрядной лампы действует положительное напряжение. Следовательно, длительность радиоимпульсов зависит от длительности управляющих импульсов.

Импульсный модулятор с накопительным конденсатором имеет один существенный недостаток. По мере расходования заряда конденсатора при генерировании радиоимпульса напряжение на нем быстро падает, а с ним - и мощность высокочастотных колебаний. В результате генерируется остроконечный радиоимпульс с пологим спадом. Гораздо выгоднее работать с прямоугольными импульсами, мощность которых в течение их длительности остается примерно постоянной. Прямоугольные импульсы будут генерироваться описанным генератором, если накопительный конденсатор заменить искусственной длинной линией, разомкнутой на свободном конце. Волновое сопротивление линии должно равняться сопротивлению генератора ВЧ колебаний со стороны зажимов питания, т.е. отношению его анодного напряжения к анодному току

6.2. ЛИНЕЙНЫЕ И МАГНИТНЫЕ МОДУЛЯТОРЫ

На практике применяются модуляторы с накопительной энергией, называемые линейными модуляторами. В состав принципиальной схемы такого модулятора (рис. 6.3) входят: зарядный диод V1, катушка зарядной индуктивности L1, накопительная линия LC, импульсный трансформатор T, тиристор V2, зарядная цепочка C1,R1.

При запертом тиристоре линия заряжается через V1,L1 до напряжения Е. Одновременно заряжается конденсатор С1 через резистор R1.

При подаче на тиристор запускающего импульса (ЗИ) положительной полярности тиристор отпирается, протекающий через него ток разряда уменьшает сопротивление тиристора, и происходят разряд накопительной линии на первичную обмотку импульсного трансформатора. Модулирующий импульс напряжения, снимаемый со вторичной обмотки, подается на магнетрон. Длительность формируемого импульса зависит от параметров LC линии:

.

На практике широкое применение нашли коммутирующие приборы в виде катушек нелинейной индуктивности, которые получили название магнитных импульсных модуляторов. Катушка нелинейной индуктивности имеет сердечник из специального ферромагнитного материала, обладающего минимальными потерями. Известно, что если такой сердечник насыщен, то его магнитная проницаемость мала, и индуктивное сопротивление такой катушки минимально. Наоборот, при ненасыщенном состоянии магнитная проницаемость сердечника имеет большую величину, индуктивность катушки увеличивается, индуктивное сопротивление возрастает.

Кроме элементов, применяемых в схеме линейного модулятора, схема магнитного модулятора (рис. 6.4) содержит катушку нелинейной индуктивности (дроссель) L1, накопительный конденсатор C1, нелинейной трансформатор T1, накопительный конденсатор С2 и импульсный трансформатор T2.

Когда тиристор заперт, заряжается конденсатор С1 от источника напряжения Е и сердечник дросселя L1 намагничивается до насыщения. При отпирании тиристора конденсатор С1 разряжается на первичную обмотку трансформатора Т1. Индуктируемое во вторичной обмотке напряжение заряжает конденсатор С2. К концу заряда сердечник Т1 насыщается, и конденсатор С2 разряжается на первичную обмотку импульсного трансформатора.

Длительность модулирующего импульса определяется временем разряда конденсатора С2. В необходимых случаях при длительности импульсов, превышающих 0,1 мкс, на практике вместо конденсатора С2 включают формирующую линию. Тогда длительность модулирующих импульсов будет определяться параметрами линии аналогично схеме линейного модулятора.

6.3. ПОДМОДУЛЯТОРНЫЕ КАСКАДЫ

Управление работой разрядной (модуляторной) лампы в схеме с накопительным конденсатором осуществляется специальной схемой подмодулятора, в состав которой входят усилитель запускающих импульсов; первый ждущий блокинг-генератор, работающий в режиме деления частоты повторения импульсов; второй блокинг-генератор, формирующий импульсы управляющего напряжения фиксированной длительности и амплитуды, которые управляют работой разрядной лампы. Такая схема подмодулятора обеспечивает работу передатчика различной частотой повторения и различной длительностью зондирующих импульсов.

Управление работой линейного и магнитного модуляторов, где в качестве управляющего элемента используются тиристоры, осуществляется задающим генератором, в состав которого обычно входят усилитель запускающих импульсов, ждущий блокинг-генератор, эмиттерный повторитель, согласующий входную цепь тиристора с выходом блокинг-генератора.

На рис. 6.5 представлена принципиальная схема подмодулятора РЛС «Океан», которая, несмотря на устаревшую элементную базу, находится до настоящего времени в эксплуатации.

Данная схема имеет четыре каскада:

- усилитель запускающих импульсов (левая половина лампы Л1 типа 6Н1П),

- ждущий блокинг-генератор(правая половина лампы Л1),

- выходной каскад на тиратроне Л2 типа ТГИ1-35/3,

- выходной каскад на тиратроне Л3 типа ТГИ1-35/3.

В зависимости от длительности модулирующих импульсов (0,1 или 1 мкс) работает тиратрон Л2 или тиратрон Л3. В первом случае заряд накопительной линии 1 происходит через зарядное сопротивление R1. Во втором случае накопительная линия 2 заряжается через сопротивление R2.

Нагрузкой выходных каскадов являются резисторы R3 и R4, включенные параллельно в катодную цепь тиратронов Л1 и Л2. При разряде накопительных линий на этих резисторах создается импульс напряжения заданной длительности с амплитудой 1250 В.

В качестве подмодуляторного каскада модулятора применяется блокинг-генератор. Для получения малого выходного сопротивления блокинг-генератор на выходе имеет катодный повторитель.

6.4. ОСОБЕННОСТИ МАГНЕТРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

Магнетрон представляет собой двухэлектродный электровакуумный прибор с электромагнитным управлением. В диапазоне сантиметровых волн применяются многорезонаторные магнетроны. Устройство такого магнетрона показано на рис. 6.6.

Рис. 6.6. Устройство магнетрона Рис. 6.7. Пакетированный магнетрон

Основой конструкции магнетрона является анодный блок 1 в виде массивного медного цилиндра, в котором выточено по окружности четное число пазов, представляющих собой цилиндрические резонаторы 2.

В центре блока расположен цилиндрический оксидный подогревный катод 10, имеющий значительный диаметр для получения достаточного эмиссионного тока. Резонаторы сообщаются с внутренней полостью магнетрона, называемой пространством взаимодействия, с помощью прямоугольных пазов 9. Катод укреплен внутри магнетрона с помощью держателей 12, которые служат одновременно выводами тока 11. Держатели проходят через стеклянные спаи в цилиндрических трубках, укрепленных на фланце. Имеющиеся на фланце утолщения выполняют роль высокочастотного дросселя, препятствующего выходу высокочастотной энергии через выводы накала. С обеих сторон катода расположены охранные диски 4, препятствующие утечке электронов из пространства взаимодействия в торцовые области магнетрона. С торцовой стороны анодного блока имеются связки-проводники 3, соединяющие сегменты анодного блока.

Для охлаждения магнетрона на его наружной поверхности имеются ребра, обдуваемые вентилятором. Для удобства охлаждения, безопасности обслуживания и облегчения отвода высокочастотной энергии анодный блок заземляется, а к катоду прикладываются импульсы высокого напряжения отрицательной полярности.

Магнитное поле в магнетроне создается постоянными магнитами, изготовленными из специальных сплавов, создающих сильное магнитное поле.

С внешней нагрузкой магнетрон связан посредством проволочной медной петли 8, которая одним концом припаяна к стенке одного из резонаторов, а другим присоединена к внутреннему проводу 7 короткой коаксиальной линии, проходящему через стеклянный спай 6 в волновод 5. Колебания сверхвысокой частоты в магнетроне возбуждаются электронным потоком, управляемым постоянным электрическим и магнитным полями, направленными взаимно перпендикулярно друг другу.

В магнетронных генераторных РЛС применяются постоянные магниты, изготовленных из сплавов с большой коэрцитивной силой. Существуют две конструкции магнитных систем: внешние магнитные системы и «пакетные» магнитные системы. Внешняя магнитная система представляет собой стационарную конструкцию, между полюсными наконечниками которой устанавливается магнетрон.

В судовых навигационных РЛС получили распространение пакетированные магнетроны, у которых магнитная система является составной частью конструкции самого магнетрона. У пакетированных магнетронов полюсные наконечники входят с торцов внутрь магнетрона (рис. 6.7). Этим уменьшается воздушный зазор между полюсами, а, следовательно, и сопротивление магнитопровода, что позволяет сократить размеры и вес магнитной схемы. Схемы магнетронных генераторов представлены на рис. 6.8, а; 6.8, б.

В состав схемы магнетронного генератора входят: магнетрон, трансформатор накала и система охлаждения анодного блока магнетрона. Схема магнетронного генератора содержит три цепи: сверхвысокочастотную, анодную и накальную. Токи СВЧ циркулируют в резонансной системе магнетрона и в связанной с ней внешней нагрузке. Импульсный анодный ток протекает от положительного зажима модулятора через анод – катод магнетрона на отрицательный зажим. Он определяется выражением

	а)

Рис. 6.8. Схемы магнетронных генераторов

,

где I_A – среднее значение анодного тока, А;

F_И – частота следования импульсов, имп / с;

τ_И – длительность импульса, с;

α – коэффициент формы импульсов (для прямоугольных импульсов равен единице).

Цепь накала состоит из вторичной обмотки трансформатора накала Тр и нити подогрева катода. Обычно напряжение накала магнетрона равно 6,3 В, но ввиду того, что катод работает в режиме усиленной электронной бомбардировки, полное напряжение питания нити обогрева требуется только для разогрева катода перед подачей высокого напряжения на анод магнетрона. При включении высокого анодного напряжения напряжение накала обычно уменьшают автоматически до 4 В с помощью резистора R, включенного в первичную обмотку трансформатора накала. В схеме (рис. 6.8,а) модулирующий импульс напряжения отрицательной полярности с выхода модулятора подается на катод магнетрона.

Вторичная обмотка трансформатора накала по отношению к корпусу генератора находится под высоким напряжением. Аналогично в схеме (рис. 6.8, б) один конец вторичной обмотки импульсного трансформатора ИТр подключен к корпусу, а второй конец – к зажиму вторичной обмотки накального трансформатора. Поэтому изоляция между вторичной обмоткой трансформатора накала и корпусом, а также между обмотками должна быть рассчитана на полное анодное напряжение магнетрона. Чтобы не вызывать заметного искажения формы модулирующих импульсов, емкость вторичной обмотки трансформатора накала должна быть возможно меньше (не более нескольких десятков пикофарад).

6.5. ПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО РЛС «НАЯДА-5»

Передающее устройство РЛС «Наяда-5» входит в состав прибора П-3 (приёмопередатчика) и предназначено для:

формирования и генерирования зондирующих импульсов СВЧ;

обеспечения синхронной и синфазной работы по времени всех блоков и узлов индикатора, приёмопередатчика, антенного устройства.

На рис. 6.9 показана структурная схема передающего устройства приёмопередатчика РЛС «Наяда-5».

В состав передающего устройства входят: блок сверхвысокой частоты; модулятор передатчика; фильтр модулятора; формирователь синхроимпульсов; выпрямительные устройства, обеспечивающие питанием блоки и цепи прибора П – 3.

		Рис. 6.9. Структурная схема приёмопередатчика РЛС «Наяда-5»

В структурную схему приёмопередатчика РЛС «Наяда-5» входит:

Тракт формирования сигналов стабилизации, предназначенный для формирования импульсов вторичной синхронизации и поступающих в индикатор, а также для запуска через блок автоматической стабилизации управления модулятора передатчика. С помощью этих синхроимпульсов обеспечивается синхронизация зондирующих импульсов с началом развёртки на ЭЛТ индикатора.

Тракт формирования зондирующих импульсов, предназначенный для выработки импульсов СВЧ и передачи их по волноводу в антенное устройство. Это происходит после формирования модулятором напряжения импульсной модуляции генератора СВЧ а также импульсов контроля и синхронизации сопрягаемых блоков и узлов.

Тракт формирования видеосигнала, предназначенный для преобразования с помощью гетеродина и смесителей отражённых импульсов СВЧ в импульсы промежуточной частоты, формирования и усиления видеосигнала, который затем поступает в индикатор. Для передачи зондирующих импульсов в антенное устройство и отражённых импульсов в тракт формирования видеосигнала используется общий волновод.

Тракт настройки контроля и питания, предназначенный для выработки питающих напряжений всех блоков и цепей прибора, а также для контроля работоспособности источников питания, функциональных блоков и узлов станции, магнетрона, гетеродина, разрядника и др.

6.6. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕДАТЧИКОВ

Конструктивно передатчики РЛС совместно с приемным устройством могут располагаться как в отдельном изолированном приборе, который называется приемопередатчиком, так в антенном блоке.

На рис. 6.10 изображен внешний вид приемопередатчиков современной одно и двух канальной автоматизированной радиолокационной станции «Ряд» (3,2 и 10 см диапазона волн), который расположен в отдельном приборе. Основные технические характеристики показаны в таблице 6.1.

Приемопередатчики 3-х см диапазона (П3220 Р) с импульсной мощностью 20 кВт и более построены на базе магнетронов с безнакальным автокатодом. Данные магнетроны имеют время безотказной наработки в условиях эксплуатации более 10000 часов, обеспечивают мгновенную готовность к работе и существенно упрощают передатчик.

Рис. 6.10. Приемопередатчики автоматизированной РЛС «Ряд»

Табл. 6.1

Широкое внедрение в современных судовых навигационных РЛС микроэлектроники, в первую очередь — твердотельных СВЧ-приборов, микропроцессоров, позволило, в сочетании с современными методами обработки сигналов, получить компактные, надежные, экономичные и удобные в эксплуатации приемо-передающие устройства. Для исключения применения громоздких волноводных устройств и исключения потерь мощности при передаче и приёме отраженных сигналов в волноводах передатчик и приёмник конструктивно располагают в антенном блоке в виде отдельного модуля, который иногда называется сканером (см. рис.7.23). Этим обеспечивается быстросъемность модуля приёмопередатчика, а также проведение ремонта методом агрегатной замены. Включение и выключение питания таких типов приемопередатчиков обеспечивается дистанционным способом.

На рис. 6.11 показано антенно-передающее-приёмное устройство береговой РЛС (БРЛС) «Балтика-Б», выполненного в виде моноблока. БРЛС «Балтика-Б» используется в качестве береговой РЛС в системах управления движения судов (СУДС), а также на акваториях портов, подходных каналах и фарватерах.

Рис. 6.11.

Антенна и приемопередатчик БРЛС «Балтика»

с горячим резервированием

Подробнее о современных радарах изложено в главе 11 учебного пособия.