Материал: РНП Конспект Демиденко 2010

36

импульсов РЗП должны пропускать сигналы малой мощности с незначительными вносимыми потерями.

Типичная конструкция РЗП приведена на рис.5.7.

РЗП представляет собой герметичную

волноводную секцию, состоящую из двух связанных четвертьволновых резонансных фильтров, каждый из которых включает

емкостный элемент в виде усеченного конуса и индуктивный элемент в виде диафрагмы [6].

Электроды конусной формы расположены

друг относительно друга на расстоянии λ/4.

Для уменьшения времени срабатывания (восстановления)

РЗП заполняется смесью водорода и паров воды под небольшим давлением.

В зазорах между усеченными конусами формируется электрическое поле с большим значением напряженности, так как вторая пара электродов,

расположенных ближе к выходу находится под напряжением около –800В. В период передачи мощного зондирующего импульса оно вызывает быструю ионизацию газа, вследствие чего полное сопротивление разрядника для передаваемого сигнала оказывается очень малым.

Под воздействием зондирующего импульса передатчика из-за быстрой ионизации замыкается пара поджигающих электродов (находящаяся под напряжением около –800В). Образовавшаяся отраженная волна от этой пары электродов создает высокое пробивное напряжение на входной паре электродов.

Возникшая при разряде плазма, обладая высокой проводимостью, закорачивает

вход РЗП и, таким образом, защищает вход приемника от проникновения мощных СВЧ импульсов передатчика.

Важными параметрами РЗП являются малые величины потерь в дуге и время восстановления.

Часть поступающей энергии передатчика, поглощаемая разрядником, называется потерями в дуге, а время, требуемое для деионизации разрядника после прекращения импульса — временем восстановления. (Время восстановления

влияет на такой эксплуатационный параметр НРЛС, как минимальная дальность

обнаружения целей). Как правило, проектирование РЗП с минимизацией потерь в дуге и малым временем восстановления не согласуется с требованием минимизации энергии в начальном выбросе и мощности плоской части просачивающегося импульса. Кроме того, в приемниках с малым уровнем

собственного шума необходимо (во избежание значительного увеличения

коэффициента шума приемника), чтобы потери при приеме, обусловленные конструкцией разрядника и разрядом через поджигающий электрод, были очень

малы.

Основным типом разрядника блокировки передатчика РБП является

наполненная газом замкнутая четвертьволновая секция, входное окно которой герметизировано стеклянной пластиной, прозрачной для электромагнитных колебаний СВЧ. При подаче большой мощности СВЧ газ ионизируется, и полное

входное сопротивление разрядника падает до малой величины. При приеме сигналов полное входное сопротивление РБП велико. Вследствие резонансных свойств полоса пропускания РБП меньше, чем РЗП с отражательными

разрядниками. В то же время РБП дают возможность переключать более высокие

мощности, чем РЗП. РБП и РЗП используются обычно совместно с направленными ответвителями, образуя компактные широкополосные балансные антенные переключатели.

37

В некоторых типах НРЛС, наряду с РЗП для защиты входа приемника используется электромагнитная заслонка (ЭМЗ) [9,12].

ЭМЗ представляет собой электромагнит, который опускает (вынимает) штырь в волноводной секции антенного переключателя. Как правило, ЭМЗ конструктивно

располагается в антенном переключателе впереди РЗП.

При включенной НРЛС, когда подается напряжение поджига на РЗП, штырь с помощью электромагнита вынимается из волноводной секции и СВЧ волна, через

РЗП, поступает на вход приемника – в смесительную камеру.

Когда же НРЛС находится в нерабочем состоянии (отсутствует напряжение

поджига на РЗП и питание ЭМЗ) штырь ЭМЗ опускается в волноводную секцию, создавая при этом короткое замыкание в линии, ведущей к приемнику.

5.4. Вращающийся переход

Вращающийся переход предназначен для передачи (приема) СВЧ колебаний от

неподвижной части волноводного тракта к подвижной антенной части (см. рис.5.8). Основой его являются два элемента: волноводно-коаксиальный переход 1

и бесконтактное дроссельное соединение коаксиальной части (вращающееся сочленение) 2. Коаксиальная часть

перехода 3 присоединяется перпендикулярно к широкой стенке волноводной части на расстоянии четверти длины волны от короткозамкнутого конца,

так что энергия, отраженная от этого конца,

складывается с энергией, распространяющейся в прямом направлении. Центральный проводник коаксиальной части заканчивается в волноводе зондом 4. Размеры, конфигурация и место установки

зонда в волноводе выбраны так, чтобы

обеспечивалось наилучшее согласование структуры электромагнитных полей обеих частей перехода, что сопровождается минимальными потерями,

Рис.5.8. Вращающийся переход отражениями и быстрым затуханием возбуждающихся

на переходе волн высших порядков. (Согласование

достигается с помощью плунжера 5).

В конструкции бесконтактного соединения внешних проводников коаксиальной части

используется свойство полуволновых отрезков линий передач, заключающееся в

том, что входное сопротивление отрезка, закороченного на конце, близко к нулю, а токи в середине отрезка практически отсутствуют.

Коаксиальные проточки в утолщенных стенках соприкасающихся внешних проводников представляют собой свернутый отрезок полуволновой линии, закороченной на конце. Зазор в месте поворота линии на 180° не мешает

нормальному функционированию линии, так как токи в этом месте отсутствуют. С другой стороны, сопротивление зазора во внешнем проводнике коаксиальной части

перехода равно нулю, поскольку зазор является входом замкнутой на конце полуволновой линии. Таким образом, разрыв внешнего проводника не препятствует прохождению тока по нему от неподвижной части к подвижной и в обратном

направлении.

Электромагнитные колебания от генератора СВЧ-энергии, распространяющиеся в прямоугольном волноводе, возбуждают симметричный тип колебаний в отрезке коаксиального волновода 2. Центральный проводник коаксиального отрезка является возбуждающим штырем (зондом) 3 в волноводе, питающем щелевую антенну. Так как ось штыря совпадает с осью вращения, то условия возбуждения при вращении антенны не изменяются. Шарообразный конец

38

зонда 3 обеспечивает нормальную работу вращающегося перехода в рабочем диапазоне частот.

Для настройки вращающегося перехода служит плунжер 1, с помощью котрого добиваются наилучшего согласования между неподвижной и вращающейся частями

перехода, что соответствует максимальному коэффициенту передачи мощности.

Лекция №11

6. Приемник НРЛС и принцип его работы

Радиоприемные устройства НРЛС супергетеродинного типа предназначены для

выделения, усиления и преобразования энергии радиоволн, необходимых для нормальной работы индикаторного устройства.

Особенностями приемников радиолокационных станций являются усиление в

широкой полосе частот, обусловленной приемом коротких импульсов, большими уходами частоты гетеродина, неточностями настройки элементов схемы и влиянием

различных дестабилизирующих факторов. Общее усиление приемника складывается из усиления его отдельных каскадов, причем основное усиление в приемниках супергетеродинного типа получается в каскадах усилителя промежуточной частоты и видеоусилителе.

Динамический диапазон приемника должен быть таким, чтобы можно было обнаруживать наиболее слабые сигналы и не перегружаться при приеме самых сильных отраженных сигналов.

Таким образом, основными характеристиками радиоприемников РЛС являются:

чувствительность, коэффициент шума, избирательность, полоса пропускания,

коэффициент усиления, динамический диапазон, выходная мощность и качество воспроизведения сигналов.

Основные конструктивные характеристики: механическая прочность,

влагостойкость, устойчивость к колебаниям температуры, габаритные размеры. Упрощенная функциональная схема приемника НРЛС с блоком автоматической

подстройки частоты (АПЧ) приведена на рис.6.1.

Рис.6.1. Упрощенная функциональная схема приемника НРЛС

При работе НРЛС на излучение, СВЧ импульсы (частотой fc) от магнетрона по волноводному тракту через антенный переключатель (АП) поступают в антенну, а из

нее – в пространство. При наличии на пути распространения СВЧ импульсов объектов, которые обладают свойством отражения, часть энергии СВЧ импульсов попадает в антенну, а из нее – по волноводному тракту снова в антенный переключатель, который должен уже переключиться с передачи на прием, тем самым, через разрядник защиты приемника (РЗП) подключает антенну к входу

приемника.

39

РЗП вместе с АП обеспечивает согласование входа приемника с волноводом, а также защищает чувствительные диоды смесителя УПЧ от СВЧ импульсов,

превышающих по мощности допустимый порог для диодов. (В некоторых моделях НРЛС, для защиты диодов смесителя УПЧ, когда НРЛС обесточена, применяется

электромагнитная заслонка, которая располагается впереди РЗП).

В приемнике НРЛС производится преобразование поступающих из антенны отраженных от объектов импульсов СВЧ в более низкую (обычно 60 МГц)

промежуточную частоту fпч, которая усиливается относительно низкочастотными

усилителями, называемые усилителями промежуточной частоты (УПЧ).

УПЧ состоит из нескольких каскадов, расположенных после преобразователя частоты, в которых на промежуточной частоте происходит основное усиление

сигналов, принимаемых от объектов.

Детекторный каскад преобразует импульсы, заполненные промежуточной

частотой, в видеоимпульсы, которые усиливаются видеоусилителем и затем поступают в видеосмеситель индикатора.

Кроме того, в приемнике применятся временная регулировка усиления (ВРУ),

укорочение видеоимпульсов с помощью дифференцирующей цепи с малой постоянной времени (МПВ), автоматическая подстройка частоты с помощью блока

АПЧ и некоторые другие регулировки.

6.1. Преобразование частоты

Преобразование частоты в радиолокационном приемнике производится с помощью кристаллических диодных смесителей, размещенных в специальных

волноводных секциях, к которым подводятся непрерывные колебания СВЧ от

гетеродина (частотой fг) и отраженные импульсы из антенны (частотой fc) (или

ослабленные импульсы магнетрона — в смесителе АПЧ).

Гетеродин, смеситель УПЧ приемника и смеситель АПЧ располагаются в одном общем блоке СВЧ, в котором конструктивно размещен и антенный переключатель.

В качестве маломощного непрерывно работающего генератора СВЧ в приемниках чаще всего используют отражательный клистрон или полупроводниковые генераторы СВЧ, например - генератор с применением диода

Ганна.

Отражательный клистрон представляет собой вакуумный прибор, конструктивно объединенный в одно целое с объемным резонатором [9]. Частота колебаний клистрона в основном обусловлена собственной частотой резонатора и, в некоторой степени, — величиной напряжения на отражательном электроде. Поэтому для изменения частоты клистрона в широких пределах (несколько сот мегагерц) применяют механическую настройку, в процессе которой изменяют

размеры и форму резонатора. Изменение напряжения на отражателе позволяет регулировать частоту колебаний клистрона в пределах нескольких десятков

мегагерц.

Регулировка напряжения на отражателе клистрона может осуществляться вручную с помощью потенциометра РПЧ, размещенного на панели управления

индикатора, или автоматически от блока АПЧ, находящегося в приемнике НРЛС.

Полупроводниковые генераторы СВЧ.

Полупроводниковый генератор СВЧ состоит из колебательного контура — объемного резонатора того или иного типа и активного элемента. В диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн в качестве активных элементов применяют

лавинно-пролетные диоды (ЛПД) и диоды с объемным эффектом (ДОЭ).

40

Полупроводниковые генераторы СВЧ отличаются экономичностью питания, большим сроком службы, малыми габаритами и массой [23,28].

Достаточно широкое распространение в судовых навигационных РЛС получили генераторы с использованием диодов Ганна (ГДГ). Диод Ганна содержит

тонкую пластинку из арсенида галлия размером 0,1X0.15 мм, на обе поверхности, которой нанесены невыпрямляющие металлические (омические) контакты. Электрод, на который подается положительное напряжение — анод, а

отрицательное — катод [23].

В отличие от диодов с р-n - переходом в ГДГ энергия постоянного тока

преобразуется в энергию колебаний СВЧ во всем объеме полупроводника. Когда приложенное напряжение к полупроводнику оказывается больше определенного критического значения, между контактами в узком слое полупроводника образуется

очень сильное электрическое поле и у катода создается дипольный объемный заряд, называемый электрическим доменом, который является некоторой

эквивалентной емкостью.

Домен с определенной скоростью перемещается от катода к аноду и, достигнув анода, исчезает. Частота появления и исчезновения домена зависит от толщины

пластинки. В моменты появления и исчезновения домена ток в цепи диода резко изменяется, т. е. имеет импульсный характер. Первая гармоника импульсного тока возбуждает колебания в объемном резонаторе. Конструктивно ГДГ во многом сходны с генераторами на ЛПД.

Генератор СВЧ с использованием диода Ганна — это сочетание диода с

объемным резонатором. Частота генератора зависит от размера кристалла,

приложенного напряжения, объема резонатора и может изменяться как механическим, так и электрическим способом путем изменения напряжения смещения дополнительного варикапа (диода специального типа), при котором изменяется его емкость. Диапазон электрической перестройки частоты генератора равен примерно 15%, а механической — значительно выше. Напряжение питания

6...12 В.

Существуют генераторы на диодах Ганна в диапазоне частот от 1 до 40 ГГц.

Мощность генерируемых колебаний может быть получена от сотни милливатт в

непрерывном режиме до единиц ватт, а в импульсном режиме — десятки и сотни ватт [23].

6.1.1. Смесители на СВЧ диодах

Обычные электронные лампы в качестве смесителей на СВЧ не применяются из-за сравнительно большого времени пролета электронов (относительно периода колебаний) и большой межэлектродной емкости самой лампы (ее параллельное подключение к контуру понижает частоту собственных колебаний). Поэтому в

качестве смесителей применяются СВЧ кремниевые диоды. Они обладают миниатюрными электродами, которые создают малую емкость, несмотря на очень

малое расстояние между ними. Диоды характеризуются малым уровнем собственного шума. Вольтамперная характеристика СВЧ кремниевого диода содержит нелинейный участок, благодаря чему становится возможным смешивание

на нем двух частот, одновременно поступающих в цепь диода. Преобразование частоты происходит наилучшим образом (ток разностной частоты в цепи диода при этом максимален), если рабочая точка диода выбрана на нелинейном участке с

наибольшей крутизной. Выбор рабочей точки обычно осуществляется регулировкой

уровня колебаний, подводимых от гетеродина.

Колебания промежуточной частоты fпч= fс- fг, равной 60 МГц (иногда, в некоторых моделях НРЛС применяют промежуточную частоту равную 30 МГц), выделяют с