Материал: РНП Конспект Демиденко 2010

21

3.1. Влияние отражений от подстилающей поверхности

(водной, земной) на дальность действия НРЛС

На дальность действия НРЛС влияет отражение радиоволн от подстилающей поверхности, а также сферичность Земли.

Рассмотрим влияние подстилающей поверхности моря исходя из рис.3.1.

Когда длина волны НРЛС значительно меньше h1 , h2 (где h1 - высота установки

антенны относительно поверхности моря, h2 -

высота облучаемого объекта), то СВЧ

импульсы НРЛС достигают объект и Рис.3.1. отражаются от него двумя путями:

непосредственно и путем отражения от

водной поверхности. То есть, на объект высотой h2 поступает поле напряженностью E0 , состоящее из поля напряженностью E1 (поступающему по кратчайшему пути D )

и поля напряженностью E2 , проходящему, из-за отражения от подстилающей

После преобразования этого уравнения и, перейдя к амплитудным значения, можно записать, что

(облучения) изменяется по синусоидальному закону, причем она зависит от высоты

антенны, высоты цели, расстояния между ними и длины излучаемой волны. При

22

3.2.Влияние сферичности Земли на дальность действия НРЛС

Вдиапазоне сантиметровых (особенно миллиметровых) радиоволн дифракция (способность радиоволн огибать выпуклую поверхность Земли) выражена очень

слабо [2,5]. Поэтому эти радиоволны распространяются практически прямолинейно. Для определения прямолинейного распространения таких радиоволн

воспользуемся рис.3.2.

Rэ =1,33 6370 = 8472,1 км.

С учетом того, что 1 морская миля = 1852 метра и, принимая значения высот h1 и h2 в метрах, находим значение дальности прямой радиолокационной “видимости” с учетом сферичности Земли в морских милях.

3.3.Влияние атмосферы на дальность действия НРЛС

Атмосфера может изменять распространения СВЧ радиоволны от их прямолинейного распространения, а также поглощать и рассеивать энергию СВЧ

колебаний [2,15].

В радиолокации, на отображение навигационной обстановки, могут сказываться такие явления, как субрефракция и сверхрефракция.

Характер и величина атмосферной рефракции зависят от значения вертикального градиента коэффициента преломления по высоте - dndh ,

где: n = ε0 - изменение коэффициента преломления ( ε0 - диэлектрическая

проницаемость);

h − высота.

Субрефракция – (см. рис.3.3) возникает при условии dndh 0 . При этом явлении

луч СВЧ колебаний изгибается вверх (луч “а”), что приводит к реальному уменьшению дальности действия (обнаружения целей) НРЛС.

Это явление может происходить на

высоких широтах, когда холодная масса воздуха проходит над более теплой

поверхностью (например, ветер дует над открытой водой после прохождения его надо льдом).

Рис.3.4

Сверхрефракция – (см. рис.3.3, луч “в”) возникает при условии dndh 0 . При этом

явлении СВЧ колебания изгибаются вниз. Сверхрефракция может происходить,

если воздух, пройдя над теплой сушей, проходит над относительно холодным

23

морем. Сверхрефракцию можно ожидать вблизи суши и в умеренной и тропической зонах. Она может проявиться в открытом море, далеко от берегов, особенно в

районах пассатов.

В результате сверхрефракции значительно увеличивается дальность

обнаружения объектов (больше, по сравнению с нормальным распространением СВЧ импульсов – луч “б”, рис.3.3).

Сверхрефракция встречается достаточно часто [2,15]. В Ла-Манше, например,

ветер обычно дует со стороны суши. Весной и летом, когда температура суши часто выше, чем температура воды, сверхрефракцию можно ожидать почти все время. В

Средиземном море, которое также окружено сушей, сверхрефракция наблюдалась девять дней из десяти в течение весны и лета.

Чем больше разница температур между воздухом и морем, тем больше будут

проявляться эти явления.

Поверхностный волноводный радиоканал.

Иногда оператор НРЛС может обнаружить цели на чрезвычайно больших дальностях, и в то же время он не может обнаружить цели в пределах выбранной шкалы дальности (в том числе и максимальной) при условии, что НРЛС технически

исправна.

Эти явления происходят во время крайних случаев сверхрефракции. Из-за

преломляются вниз к поверхности моря, затем отражаются вверх, снова преломляются вниз в пределах канала, и так далее непрерывно.

Простирается радиоканал на достаточно большие расстояния, достигая иногда

сотни морских миль.

Поверхностный волноводный радиоканал может образоваться на высотах несколько сот метров: два прилегающих слоя воздуха могут иметь настолько различные коэффициенты преломления, что верхний слой повторно отражает излученный импульс. Таким образом, импульсы НРЛС и их эхо (отражения) могут

распространяться на очень большое расстояние.

Именно это явление может вызывать необъяснимое изображение навигационной ситуации на индикаторе НРЛС.

На дальность действия НРЛС существенно сказывается затухание энергии радиоволн в кислороде, парах воды, гидрометеорах и др.

С укорочением длины волны затухание увеличивается. Максимальное

поглощение энергии парами воды происходит на λ=1,34 см и 0,16 см, а кислородом

– на λ = 0,5 см и 0,25 см.

Затухание радиоволн, вызванное дождем, туманом, снегом, происходит по двум

причинам. Во-первых, капли воды в атмосфере – несовершенный диэлектрик для сантиметровых волн, поэтому возбуждаемые в них колебания расходуются на тепло (тепловая потеря энергии); во-вторых, происходит отражение и рассеяние

радиоволн.

24

Лекция №7

4. Радиолокационные импульсные передатчики

Передатчик импульсной РЛС (рис.4.1) содержит следующие основные элементы: генератор сверхвысокой частоты (ГСВЧ), модулятор, источник питания (выпрямитель). Генератор вырабатывает мощные кратковременные импульсы

колебаний сверхвысокой частоты. В диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн генераторами СВЧ являются магнетроны.

Управление колебаниями генератора осуществляется модуляторным устройством, которое состоит из импульсного модулятора и подмодулятора.

Рис.4.1. Упрощенная функциональная схема радиолокационного передатчика

4.1. Особенности магнетронных генераторов

Магнетрон представляет собой электровакуумный двухэлектродный прибор с

электромагнитным управлением [4,10].

В передатчиках судовых радиолокационных станций применяют многорезонаторные магнетроны. Разрез такого типа магнетрона показан на рис. 4.2. Основой конструкции магнетрона является анодный блок 2, представляющий собой

массивный медный цилиндр, в котором выточено по окружности четное число

цилиндрических резонаторов 5.

Резонаторы сообщаются с внутренней полостью магнетрона, называемой пространством взаимодействия, с помощью прямоугольных пазов 6. Связь магнетрона с внешней нагрузкой осуществляется

посредством проволочной медной петли 8. Эта петля одним

концом припаяна к стенке одного из резонаторов, а другим присоединена к внутреннему проводу 9 короткой коаксиальной линии, проходящему через стеклянный спай 4 в волновод.

В центре анодного блока расположен цилиндрический

оксидный подогревный катод 1. Этот катод имеет значительный

диаметр для

получения достаточного эмиссионного тока.

С обеих сторон катода расположены так называемые

охранные диски, улучшающие структуру поля у краев анодного блока и препятствующие утечке электронов из пространства

взаимодействия в торцовые области магнетрона. Катод укреплен внутри магнетрона с помощью держателей 7, которые служат

одновременно выводами тока.

Держатели проходят через стеклянные спаи в Рис. 4.2. Устройство магнетрона цилиндрических трубках, укрепленных на фланце.

Имеющееся на держателе утолщение выполняет

роль высокочастотного дросселя препятствующего выходу высокочастотной энергии

через выводы накала.

С торцовой стороны анодного блока имеются связки — проводники 3,

соединяющие сегменты анодного блока. Для охлаждения магнетрона на его

25

наружной поверхности имеются ребра, обдуваемые вентилятором. Исходя из условий удобства охлаждения, безопасности обслуживания и облегчения отвода

высокочастотной энергии, анодный блок заземляется, а к катоду прикладываются импульсы высокого напряжения отрицательной полярности. Магнитное поле

магнетрона создается обычно постоянными магнитами, не показанными на рис.4.2. Эти магниты, изготовленные из специальных сплавов, создают сильное магнитное поле.

На практике широко применяются пакетированные магнетроны (см. рис.4.3), у которых магнитная система 4

является составной частью конструкции самого магнетрона. У пакетированных магнетронов полюсные наконечники входят с торцов внутрь магнетрона. Этим

уменьшается воздушный зазор между полюсами, а, следовательно, и сопротивление магнитопровода, что

позволяет сократить размеры и массу магнитной системы магнетрона.

Рис. 4.3. Пакетированный магнетрон: 1 — медный анодный блок; 2 — ферромагнитные полюсные наконечники; 3 — катод; 4 — магнит

Обычно напряжение накала магнетрона равно 6,3 В, но ввиду того, что катод

работает в режиме усиленной электронной бомбардировки, такое значение напряжения питания катода требуется только для разогрева катода перед подачей высокого напряжения на анод. После подачи анодного напряжения напряжение накала обычно уменьшают автоматически с помощью резистора R до 4 В.

Важным показателем качества работы магнетронного генератора является

стабильность частоты генерируемых колебаний. Основными причинами, вызывающими отклонение частоты магнетрона, являются непостоянство и

несогласованность нагрузки, непостоянство электрического режима, например:

изменения анодного напряжения или анодного тока, колебания температуры анодного блока.

Различают следующие два вида изменения частоты:

а) медленное колебание частоты, когда в течение промежутка времени, равного

длительности отдельного импульса, частота практически остается постоянной;

б) быстрое изменение частоты, при которой нельзя пренебречь уходом частоты даже во время генерации каждого отдельного короткого импульса.

Медленное изменение частоты происходит при вращении антенны, при

плавном изменении напряжения источников питания, при изменении окружающей

температуры. Такого вида нестабильность частоты не искажает спектр

генерируемого импульса, а несколько сдвигает его. Влияние на работу станции такого ухода частоты можно уменьшить применением в приемнике автоматической

подстройки частоты.

При быстром изменении частоты наблюдается искажение формы частотного

спектра импульса и расширение полосы частот. Это может привести к снижению дальности действия радиолокационной станции, так как значительная доля энергии импульса может оказаться вне полосы пропускания приемного устройства.

Из рис. 4.1 видно, что модулятор состоит из подмодулятора и коммутатора.

В качестве накопителя энергии, в НРЛС 50-х - 70-х годов разработки прошлого столетия чаще всего используется конденсатор и, реже, накопительная линия [9].

Рассмотрим некоторые особенности построения импульсных модуляторов.