Конструктивні особливості окремих елементів РЛС

 

Виявлення та визначення координат i параметрів руху об'єктів у просторі за допомогою електромагнітних хвиль — досить складна суперечлива технічна проблема, однією з основних умов успішного вирішення якої є використання надвисоких частот, необхідність підвищеної потужної потужності передавачів та надвисокої чутливості приймачів. Це накладає специфічні умови на роботу i конструкцію генераторів, антен та вхідних каскадів приймачів РЛС. Решту каскадів РЛС будують з елементів, розглянутих вище.

 

 

Рис. 10.7. Ілюстрація побудови обємного резонатора

 

 

Потужні генератори для дециметрового, а тим більше сантиметрового діапазонів на лампах i транзисторах побудувати неможливо. Коливальний контур, що складється з котушки та конденсатора, для цих діапазонів непридатний. Отже, в генераторах РЛС роль коливальної системи відіграють об'ємні резонатори, а активні елементи, в яких відбувається перетворення енергії джерела живлення на енергію електромагнітної хвилі, мають специфічну конструкцію, складовою частиною якої є ці резонатори.

Щоб уявити co6i принцип побудови об'ємного резонатора, розглянемо коливальний контур, утворений лише з одного витка котушки i двох пластин конденсатора (рис. 10.7, а). Щоб підвищити його резонансну частоту без зміни радіуса котушки, треба паралельно існуючому контуру приєднати ще один такий самий, потім третій (рис. 10.7, б), четвертий тощо, поки не буде утворена суцільна стінка. В результаті матимемо тороїдний об'ємний резонатор (рис. 10.7, в), poзміри якого можуть бути від λ/2 до кількох довжин хвилі. Енергію до нього можна підводити та відводити за допомогою штиря, петлі або щілинного зв'язку.

В об'ємних резонаторах уже не можна говорити про струми i напруги. В них існують електричне Е та магнітне Н поля, тобто ті caмi поля, що й в електромагнітній хвилі.

Розглянемо принцип дії спеціальних надвисокочастотних електронних приладів, побудованих на об'ємних резонаторах, — клістрона i магнетрона.

Kлicmpoн має вигляд вакуумної трубки, в якій розташовано катод, електрод, що формує промінь, та анод. Клістрони бувають двох типів: пролітні i відбивальні.

У пролітному клістроні (рис. 10.8, а) електронний промінь проходить послідовно крізь два об'ємних резонатори, які мають одну й ту саму резонансну частоту. Якщо до першого резонатора підвести надвисокочастотне коливання, то воно промодулює потік електронів за швидкостями, тобто за час позитивної півхвилі коливань у резонаторі електрони прискоряться, а за час негативної — загальмуються. Таким чином, на шляху до другого резонатора електрони сформуються у просторі у своєрідні «пакети» за швидкостями. При проходженні крізь другий резонатор ці «пакети» електронів збуджують у ньому коливання тiєї самої частоти, що й підведеної до першого резонатора. Проте завдяки енергії електронного потоку енергія цих коливань буде значно більшою за енергію коливань, підведених до першого резонатора. Маємо клістронний підсилювач сигналу. Щоб перетворити

 

його на генератор, треба зробити вже відоме: створити позитивний ЗЗ між резонаторами. При цьому один із резонаторів стає зайвим, тому що зв'язок можна зробити внутрішнім.

У результаті дістаємо відбивальний клістрон (рис. 10.8, б).

Тут є лише один резонатор, який одночасно відігрвє роль анода. На той електрод, що раніше вцідігравав роль анода, подається висока негативна напруга –U_відб; тому він відштовхує від себе електрони, які потрапляють в його гальмівне поле. Згруповані у «пакети» електрони (при першому прольоті крізь резонатор) відбиваються i, пролітаючи крізь резонатор у зворотному напрямку, віддають йому енергію. Треба тільки підібрати відстань між резонатором та відбивачем такою, щоб внутрішній 33 був позитивним. Ця відстань залежить від довжини хвилі коливань, яі! генеруються. Саме такий клістрон використовується в шкільному фізичному експерименті під час вивчення властивостей електромагнітних хвиль.

Власна потужність клістронів досить обмежена, тому найбільшого поширення вони набули лише як гетеродини в радіолокаційних приймачах. Для здобуття великої коливальної потужності використовують багаторезонаторні електронні прилади, які називаються магнетронами.

Магнетрон виконується у вигляді циліндричного анода з міді, в якому по радіусах профрезеровано резонатори (рис. 10.9). Уздовж oci циліндра проходить потужний катод у вигляді трубки. Кожен резонатор в напрямку катода має щілину зв'язку. Вся ця конструкція розмщується між полюсами потужного магніту так, щоб його поле діяло вздовж oci катода та циліндра. Між катодом й анодом подається дуже висока напруга.

На електрони, що вилітають з катода, одночасно діють два поля: електричне поле анода з силою Кулона i магнітне поле з силою Лоренца. Внаслідок цих двох дій траєкторія руху електронів перетворюється на циклоїду. «Пакети» електронів рухаються навколо катода повз щілини резонаторів та модулюються ними за швидкостями. Bci резонатори міцно зв'язані між собою електронним потоком, тому відбирання енергії відбувається від кожного з них.

Магнетрони генерують дуже потужні імпульсні сигнали в діапазоні сантиметрових хвиль. Це забезпечує велику віддаль дії РЛС при досить високій їхній точності.

Приймачі РЛС будують за звичайною схемою супергетеродина, найчастіше без підсилювача високих частот iз кpиcтaлiчним перетворювачем частоти. Гетеродини в них — на відбивальному клістроні, а основне підсилення здійснюється широкосмуговим резонансним підсилювачем проміжної частоти, побудованим на розстроєних трійках або парах каскадів підсилення. Проміжна частота вибирається в межах 30... 100 МГц. Особливістю цихпітдсилювачів є також тє, що їхня АХ не лінійна, а логарифмічна. Це зменшує розбіжність амплітуд сигналів, відбитих від далеких i близьких об'єктв.

Каналізація електромагнітної енергії від генератора до антени та від антени до перетворювача частоти в РЛС відбувається по хвилеводах — порожнистих металевих трубках прямокутного або круглого перерізу. Геометричні розміри перерізу хвилеводу, як i геометричні розміри резонатора, визначаються довжиною хвилі. Енергію хвилі з хвилеводу у відкритий простір можна передавати природним способом за допомогою рупорної антени. Проте якісна рупорна антена має бути досить довгою, щоб перехід від хвилеводу до рупора i відкритого простору був плавним, а поле в розкриві рупора наближалось до синфазного.

Така довга рупорна антена робить конструкцію РЛС громіздкою. Щоб уникнути цього, здебільшого атени РЛС виконують дзеркальними з рупорними опромінювачами. Від poзмірів та форми дзеркала залежать форма i вигляд діаграми спрямованості антени. Для здобуття голкоподібної діаграми використовують параболоїд обертання з точковим опромінювачем у фокусі. Чим більший діаметр дзеркала порівняно з довжиною хвилі, тим кращою буде діаграма спрямованості. Для формування ножеподібних діаграм i таких, що мають спеціальну форму (наприклад, косекансну), застосовують антенні дзеркала у вигляді гіперболічних та параболічних циліндрів тощо.

Антена РЛС, як правило, має не тільки обертатися навколо однієї або двох взаємно перпендикулярних осей, а й сканувати променем (автоматично i досить швидко оглядати npocтip у деякому секторі). Для цього здійснюють хитання, але не самого дзеркала, а опромінювача в тій чи іншій площині за періодичним законом. Це значно ускладнює механічну частину конструкції антени. Тому в сучасних РЛС діаграмою спрямованості антени i положенням її променя в просторі керують за допомогою фазових антенних решіток. При цьому відпадає потреба будувати досить громіздкі та складні у виготовленні дзеркала.

Принцип такого керування променем РЛС ілюструє рис 10.10. Нехай є площина, в якій рівномірно розташовані елементарні випромінювачі, наприклад диполі. Вся ця площина – розкрив великої антени. . Щоб утворити задану діаграму спрямованості, треба забезпечити в розкриві антени певні розподіли амплітуд і фаз поля, що випромінюються. Діаграма спрямованості та розподіл амплітуд у розкриві антени пов'язані між собою однозначно, а розподіл фаз у розкриві в кожний фіксовании момент часу визначає напрямок головного максимуму діаграми у просторі. Потрібні розподіли амплітуд i фаз у розкриві антени легко одержати, якщо змінювати за заданою програмою амплітуди та фази хвиль, утворених

Рис.10.10. Спрощена структурна схема керування променем РЛС за допомогою

фазованої антенної решітки

 

 

окремими незалежними випромінювачами. Таке регулювання можна здійснити електронним способом, а керування ним — за допомогою комп'ютера. з закладеною в нього програмою. В цій програмі може бути передбачено все: оптимальну зміну форми діаграми і КСД антени; сканування її променем зі зміною ширини спектра огляду; будь-який спосіб огляду простору; автоматичний супровід об'єкта тощо.

Для фазованої антенної решітки не потрібен спільний потужний генератор. Кожен окремий випромінювач може живитися від свого малопотужного підсилювача (рис. 10.10), а всі ці пісилювачі одержують збудження від одного високостабільного задавального генератора ЗГ малої потужності. Таким способом вирішується проблема когерентності випромінювання.

Фазована антенна решітка може містити десятки тисяч елементів, потужності випромінювання яких додаються. За цих умов одиничні потужності підсилювачів значно зменшуються i замість мідних труб-хвилеводів можна застосувати мікросмужкові лінії передач, замість магнетронів — надвисокочастотні інтегральні мікросхеми, тобто перейти на інтегральну технологію виготовлення високочастотних та антенно-фідерних пристроїв, що сумісно з інтегральною технологією виготовлення решти елементів комплексу РЛС.