Следовательно, длительность радиоимпульсов зависит от длительности управляющих импульсов.

Лекция 5

Приёмопередатчики РЛС

5.1. 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,

- источник питания.

 

Структурная схема передатчика РЛС представлена на рис. 5.1.

 

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 конденсаторе 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. 5.2.

 

1. При размыкании коммутирующего прибора накопитель заряжается от источника постоянного напряжения через ограничитель (резистор), ограждающий источник питания от перегрузки.

 

2. 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. Коммутирующие приборы – электронная лампа (для ранее выпущенных РЛС), тиристор, нелинейная индуктивность.

 

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. Прямоугольные импульсы будут генерироваться описанным генератором, если накопительный конденсатор заменить искусственной длинной линией, разомкнутой на свободном конце.

 

 

5.2. ЛИНЕЙНЫЕ И МАГНИТНЫЕ МОДУЛЯТОРЫ

 

На практике применяются модуляторы с накопительной энергией, называемые линейными модуляторами. В состав принципиальной схемы такого модулятора (рис. 5.3) 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:

.

 

 

Магнитные импульсные модуляторы.

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. 5.4 ) содержит

 

- катушку нелинейной индуктивности (дроссель) L1,

- накопительный конденсатор C1,

- нелинейной трансформатор T1,

- накопительный конденсатор С2

- 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.

 

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.

 

 

5.4. ОСОБЕННОСТИ МАГНЕТРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

 

Магнетрон представляет собой двухэлектродный электровакуумный прибор с электромагнитным управлением. В диапазоне сантиметровых волн применяются многорезонаторные магнетроны.

Медный анодный блок

Ферромагнитные полюсные наконечники

 

 

 

 

 

 

Рис. 5.6. Устройство магнетрона Рис. 5.7. 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. 5.7). Этим уменьшается воздушный зазор между полюсами, а, следовательно, и сопротивление магнитопровода, позволяет сократить размеры и вес магнитной схемы. Схемы магнетронных генераторов представлены на рис. 6.8, а, б.

 

В состав схемы магнетронного генератора входят:

магнетрон,

трансформатор накала

система охлаждения анодного блока магнетрона.

 

Схема магнетронного генератора содержит три цепи:

сверхвысокочастотную,

анодную

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. 5.8. Схемы магнетронных генераторов

 

,

где I_A – среднее значение анодного тока, А;

F_И – частотаследования импульсов, имп / с;

τ_И – длительность импульса, с;

α – коэффициент формы импульсов (для прямоугольныхимпульсов 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).

 

5.5. 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. 5.9 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. 5.9. Структурная схема приёмопередатчика РЛС «Наяда-5»

 

 

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

 

Тракт формирования сигналов синхронизации, 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.

 

5.5. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕДАТЧИКОВ

 

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

 

На рис. 5.10 изображен внешний вид приёмопередатчиков современной одно и двух канальной автоматизированной радиолокационной станции «Ряд» (3,5 и 10 см диапазона волн), который расположен в отдельном приборе. Основные технические характеристики показаны в таблице 6.1.

 

Приёмопередатчики 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. 5.10. Приемопередатчики автоматизированной РЛС «Ряд»

 

.

Параметры	ПЗ220 Р	П120 Р
Диапазоны частот, МГц   Импульсная мощность, КВт   Длительность импульса, мкс   Частоты повторения, Гц   Промежуточная полоса, МГц   Полоса пропускания, МГц   Потребляемая мощность, Вт	8800-9250 (X) 9400-9460 (X)   0,06 / 0,30 / 0,80   2600 / 1300 / 650   60±5   20 и 4	3030-3090 (S)     0,06 / 0,30 / 0,80   2600 / 1300 / 650   60±5   20 и 4

 

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 приеме отраженных сигналов в волноводах передатчик и приемник конструктивно располагают в антенном блоке в виде отдельного модуля, который иногда называется сканером. Этим обеспечивается быстросъемность модуля приемопередатчика, а также проведение ремонта методом агрегатной замены.

Включение и выключение питания таких типов приемопередатчиков обеспечивается дистанционным способом.

 

 

На рис. 5.11 показано антенно-передающее-приемное 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. 5.11.

Антенна и приемопередатчик БРЛС «Балтика»

с горячим резервированием

.

5.6. ОСОБЕННОСТИ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ПРИЁМНИКОВ

 

Приёмники судовых навигационных РЛС:

 

1. должны иметь высокую чувствительность и широкую полосу пропускания для неискаженного приёма как сильных, так и слабых импульсных сигналов;

 

2. должны обладать достаточным усилением, чтобы обеспечить хорошую наблюдаемость на экране индикатора и надежную работу устройства автоматического сопровождения объектов.

 

3. Для обнаружения близко расположенных надводных объектов с малой поверхностью отражения (рассеяния) приёмник должен обладать малым временем восстановления чувствительности, т.е. усиление приёмника должно быстро восстанавливаться до нормальной величины после окончания воздействия на него энергии мощных зондирующих импульсов передатчика.

Должны иметь фиксированную настройку на одну несущую частоту и в процессе работы не перестраиваться, поэтому для устранения возможной расстройки приёмника относительно частоты передатчика приёмник должен иметь схему автоматической подстройки частоты.

5. Должны обладать высокой помехоустойчивостью;

6. Должны быть снабжены автоматической системой регулировки усиления. Параметры приёмника должны быть стабильными, т.е. не должны изменяться под действием различных дестабилизирующих факторов.

 

В отличие от приёмников радиосвязи к радиолокационным приёмникам не предъявляется высоких требований к избирательности по каналу; вместе с тем сохраняется требование достаточной избирательности по зеркальному каналу.

 

Для обеспечения заданной чувствительности, усиления и избирательности радиолокационные приёмники импульсных РЛС выполняются обычно по супергетеродинной схеме, с однократным преобразованием частоты и применением автоматической подстройки частоты (АПЧ). Типовая функциональная схема приемника РЛС представлена на рис. 5.12.

 

Сигналы с выхода антенного переключателя АП, через разрядник Р защиты приемника поступают на вход смесителя усилителя промежуточной частоты См. УПЧ, куда одновременно подаются колебания из гетеродина Г.

 

В результате преобразования на выходе смесителя выделяются колебания промежуточной частоты (обычно 60 МГц), которые усиливаются каскадами УПЧ, детектируются детектором Д, усиливаются видеоусилителем ВУ и поступают в индикатор.

 

 

Через аттенюатор АТ колебания частоты магнетрона f_М и гетеродина f_Г подаются на смеситель блока автоматической подстройки частоты См. АПЧ.

 

Полученная в результате преобразования разностная частота f_P = f_Г – f_M усиливается каскадами УПЧ, поступает на частотный детектор – дискриминатор ДСК.

Если разностная частота f_P гетеродина и магнетрона (сигнала) равна промежуточной, на выходе дискриминатора напряжение равно нулю.

 

При отклонении разностной частоты от промежуточной на выходе дискриминатора возникает напряжение рассогласования, которое через управляющую схему УС изменяет частоту гетеродина до тех пор, пока разностная частота не достигнет величины промежуточной.

 

Дифференциатор ДФ, ослабляющий помехи, создаваемые протяженными объектами определенного типа (дождевые облака, местные предметы и пр.).

 

Для повышения чувствительности приёмника следует уменьшать его коэффициент шума (см. подраздел 4.2.4. главы 4).

 

Величина коэффициента шума радиолокационных приёмников, не содержащих усиления высокой (принимаемой) частоты в 3-см диапазоне волн, равна примерно 50 (17 дб); в 10-см диапазоне – приблизительно 30 (15дб).

 

Как видно из схемы, изображенной на рис. 5.12, усиление высокой частоты в приёмниках судовых навигационных РЛС не применяется.

 

Первым (входным) каскадом приёмника является преобразователь частоты.

 

Преобразователь частоты состоит из смесителя и гетеродина.

 

В качестве гетеродинов применяют маломощные генераторы непрерывных колебаний СВЧ. Например, полупроводниковые генераторы (диоды Ганна и др.).

 

Колебания промежуточной частоты, полученные в результате преобразования, многократно усиливаются и подаются на детектор.

 

В УПЧ приемников РЛС, кроме ручной регулировки усиления, широко применяется временная регулировка усиления (ВРУ), которая предотвращает перегрузку каскадов, работающих в режиме линейного усиления, сильными сигналами и подавляет помехи, имеющие монотонно убывающую амплитуду.

 

Важное достоинство ВРУ – возможность устранения помех, создаваемых отражением от взволнованной морской поверхности, которые однородны для различных направлений и постепенно убывают с расстоянием.

 

Принцип работы ВРУ заключается в том, что одновременно с излучением зондирующих импульсов на базу или затвор транзисторов схемы УПЧ подается экспоненциально изменяющееся напряжение, которое плавно увеличивает сопротивление приемника во времени (дальности) до номинального значения.

Отражения от дождевых облаков, местных предметов большой протяженности создают помехи, запирающие видеоусилитель для прохождения полезных сигналов, а сама помеха засвечивает экран ЭЛТ индикатора.

 

Для устранения этого недостатка между детектором и видеоусилителем включается схема малой постоянной времени (МПВ), представляющая собой дифференцирующую цепочку – дифференциатор (ДФ). Кроме устранения помех, дифференциатор способствует также некоторому повышению разрешающей способности по дальности.

 

Схема МПВ включается после детектора приёмника, и её постоянная времени выбирается примерно равной длительности импульса. Поэтому схема МПВ практически не влияет на прохождение полезных сигналов, но одновременно ослабляет действие импульсных помех, имеющих бóльшую длительность.

 

Обычно усилитель промежуточной частоты состоит из двух частей: предварительного и основного.

 

Предварительный усилитель (ПУПЧ) работает в линейном режиме. В нем осуществляется ручная и временная регулировка усиления, переключение полосы пропускания.

Поэтому ПУПЧ часто называют регулируемым УПЧ (РУПЧ).

 

Основной или главный УПЧ работает в режиме логарифмического усиления (имеет логарифмический характер амплитудной характеристики), которая повышает помехозащиту приемника.

 

От качества работы УПЧ зависят дальность радиолокационного наблюдения, разрешающая способность и другие параметры РЛС.

 

К основным качественным показателям УПЧ импульсного радиолокационного приёмника относятся:

 

величина промежуточной частоты,

полоса пропускания,

коэффициент усиления,

эффективность,

время восстановления чувствительности,

стабильность основных параметров,

устойчивость и надёжность работы и пр.

 

Промежуточная частота радиолокационных приёмников выбирается в пределах 15 – 90 МГц.

Судовые радиолокационные приёмники навигационных РЛС имеют промежуточную частоту 60 МГц.

 

Полоса пропускания обычно отсчитывается на уровне 3 дБ (на уровне 0,7 по напряжению).