книги / Сверхвысокие частоты. Основы и применения техники СВЧ
.pdfстранения волны (скорость света). Зная время движе ния электромагнитной волны, можно определить рас стояние до цели. Однако для этого необходимо, чтобы излучаемая волна была промодулирована, так как при постоянных амплитуде и частоте волны излучения не возможна передача информации, а следовательно, и определение расстояния также невозможно. Лишь за держанное во времени прибытие в приемник сигналов, переносимых промодулированной волной, позволяет производить измерение расстояний. Модуляция может осуществляться различными способами. Основными из них являются амплитудная или импульсная модуляция и модуляция частоты. Для полного определения поло жения цели, кроме измерения расстояния, необходимы данные о направлении. Эту информацию получают, при меняя для облучения цели остро направленную волну, что в диапазоне СВЧ становится возможным при срав нительно малых размерах приемо-передающей антенны. В зависимости от основной цели применения радиолока ционного устройства можно соответствующим подбором конструкции антенны либо сформировать посылаемую волну в виде остронаправленного, как пучок света, луча, либо ограничивать ее в пространстве веерной формой в горизонтальной или вертикальной плоскостях. При этом направление на цель дается, в простейшем случае, на правлением оси антенны.
2. Импульсная радиолокация
а) Основные принципы
Обычно в радиолокации применяется импульсный способ модуляции. Он состоит в том, что энергия пере датчика излучается короткими импульсами (от 0,05 до 5 мксек, в зависимости от назначения радиолокацион ного устройства), после которых следует длительная пауза, необходимая для приема эхо-сигнала. Во время паузы передатчик выключается. На рис. 83 дается весьма упрощенная блок-схема импульсного радиолока тора.
Передатчиком (в качестве которого обычно приме няется магнетронный генератор) излучается мощный СВЧ-импульс, распространение которого с помощью
151
остронаправленной антенны ограничивается в простран стве внутри весьма малого телесного угла. Если этот импульс попадает на препятствие, то часть падающей энергии отражается в сторону точки излучения и там улавливается приемником. Периодически, с частотой посылки импульсов, повторяется следующий процесс: от генератора импульсов подается короткий импульс для запуска передатчика и в видеоустройство (на трубку
Рис. 83. Блок-схема простейшего импульсного радиолокатора.
осциллографа), а через несколько микросекунд после него — прямоугольный импульс в приемник, длитель ностью от 20 до 100 мксек. Импульсом синхронизации передатчик возбуждается и излучается мощный СВЧимпульс. В момент излучения СВЧ-импульс поджигает разряд в обоих газоразрядных элементах антенного переключателя, на что, конечно, расходуется небольшая часть ВЧ-энергии. Один элемент предохраняет от раз рушения смеситель и входную часть приемника (гетеро динный приемник с широкополосным УПЧ); другой раз рядник в зажженном состоянии осуществляет связь пе редатчика с антенной. Одновременно с сигналом передатчика в развертывающий канал схемы видео устройства поступает импульс синхронизации и световое пятно на экране осциллографической трубки начинает свое движение. Задержанный по фазе относительно им
•152
пульса синхронизации прямоугольный импульс, выраба тываемый в импульсном генераторе, подается в прием ник и готовит его к приему ВЧ-сигналов. В часто приме няемых радиолокационных устройствах с круговым (азимутальным) движением луча электронный луч пе риодически отклоняется от центра к периферии экрана видеоустройства; при этом он создает на экране рису нок синхронно с вращающейся антенной. Азимутальная развертка электронного луча, следовательно, всегда со впадает с тем направлением антенны, по которому при нимается сигнал.
Рис. 84. Принципиальная схема антенного переключателя.
Поскольку при импульсной работе передатчик вы ключен, во время приема эхо-сигналов, для посылки и приема радиоимпульсов может использоваться одна и та же направленная антенна. В этом случае вход приемника должен быть закрыт во время работы пере датчика. Это осуществляется, как уже упоминалось, с помощью переходного устройства, так называемого ан тенного переключателя. Он состоит чаще всего из двух газоразрядных ламп (разрядников), которые наполнены при низком давлении водородом или водяным паром. Один из разрядников, так называемый ГЯ-элемент (Transmit-Receive), включается между передатчиком (магнетрон) и антенной в волноводное ответвление, иду щее к приемнику. Второй разрядник, анти-Г/?-элемент, находится в другом ответвлении от основного волновод ного тракта, между передатчиком и ответвлением в сто рону приемника (рис. 84).
153
Оба разрядника располагаются на расстоянии по ловины волноводной длины волны от основного трак та. При действии мощного первичного радиоимпульса, излучаемого передатчиком, газ в разрядниках ионизи руется и представляет короткое замыкание для радио излучения, которое практически без потерь поступает в антенну; зато в приемник СВЧ-энергия не проникает благодаря такой газоразрядной «заслонке». Когда за канчивается импульс первичного излучения, разряд гас нет в обеих разрядных камерах и принимаемая энергия поступает тогда в приемник. Путь от антенны к пере датчику теперь перекрывается, так как соответствующее рис. 84 взаимное расположение СВЧ-элементов и раз меры волноводных отрезков с «холодными», прозрач ными для СВЧ, разрядниками обеспечивает создание цепи, преграждающей путь принимаемому сигналу в сторону передатчика.
Газоразрядные камеры могут включаться также в плечи волноводного гибридного сочленения (так назы ваемый «двойной тройник» или «двойной Г-мост»). Ан тенный переключатель можно осуществить также с по мощью циркуляторов на ферритах.
б) Разрешающая способность
Важной характеристикой импульсного радиолока ционного устройства является его разрешающая спо собность. Различают «разрешение по дальности» и «угловое разрешение». Разрешающая способность по дальности определяется длительностью посылаемого ра диоимпульса. Время распространения радиоимпульса от антенны до цели, расположенной на расстоянии s, и об ратно дается формулой (111). Две близко расположен ные цели, удаленные одна от другой на расстояние Ad, могут быть разрешены, т. е. отделены одна от другой и приняты радиолокационным устройством как две раз личные цели, когда разность времен прихода эхо-сигна лов от целей 2Аdjc больше длительности излучаемого радиоимпульса т. Наименьшее возможное расстояние
Дd = ^cx |
(112) |
определяет тогда разрешающую способность радиолока тора по дальности. Из этого соотношения видно, что раз
154
решающая способность по дальности может быть улуч шена за счет применения более коротких радиоимпуль сов. Однако длительность посылаемых радиоимпульсов нельзя делать очень малой. Дело в том, что магнетроны, работающие в импульсных установках, должны совер шать определенное число колебаний, прежде чем они смогут излучить радиосигнал необходимой мощности Чем короче длина волны, тем скорее происходит «рас качка», т. е. установление колебаний магнетрона, и тем более короткие импульсы могут быть получены. Сле довательно, разрешающую способность по дальности можно улучшить за счет применения более коротких длин волн.
Угловая разрешающая способность (по азимуту) дается произведением угловой горизонтальной ширины луча направленной антенны и расстояния от антенны до цели. Угловое разрешение можно улучшить, увеличив отношение линейных размеров поверхности антенны к длине волны. Следовательно, для хорошего разрешения и здесь оказывается полезным применение возможно бо лее коротких волн. Однако повышению углового разре шения препятствует конечность ширины светового пятна на экране видеоустройства. Поэтому, если объект, обна руживаемый радиолокатором, занимает на экране пло щадь, меньшую отдельного светового пятна, создавае мого электронным лучом, то тогда получить угловое разрешение с большей точностью уже нельзя.
в) Дальность действия
Третьей важной характеристикой, которая интересует нас в импульсных радиолокационных установках, яв ляется дальность (или радиус) их действия. Она рас считывается по так называемой «формуле радиоло кации»
|
|
(113) |
Здесь А означает |
действующую поверхность |
антенны, |
Я — длину волны, |
Ps — излучаемую мощность, |
о — дей |
ствующую отражающую поверхность цели и Решш— минимальную мощность, принимаемую приемником, называемую также предельной чувствительностью
155
приемника. Согласно (113) при заданных размерах ан тенны и заданных значениях мощности посылаемого сигнала и предельной чувствительности приемника мак симальный радиус действия Rmax обратно пропорциона лен длине волны. Чтобы обеспечить большую дальность действия радиолокатора, желательно поэтому применять возможно более короткие волны. Если, конечно, с из менением Я поддерживать постоянными относительные размеры антенны и тем самым ширину луча, т. е. из менять линейные размеры антенны пропорционально длине волны, то радиус действия не будет изменяться
обратно пропорционально УХ, а оказывается уже пря
мо пропорциональным У Я. В самом деле, если |
в выра |
жение (113) вместо действующей поверхности |
антенны |
А ввести параметр G, называемый «выигрышем ан |
|
тенны», который согласно (64) записывается |
в виде |
то для дальности действия радиолокатора получается
(114)
Следовательно, при заданном выигрыше антенны G максимальный радиус действия растет с J/X. На этом основании иногда предпочитают работать на несколько более длинных волнах (в дециметровом диапазоне), чем на волнах более коротких.
Возможности применения очень коротких волн огра ничиваются поглощением и ослаблением этих волн в атмосфере газами, водяными парами и каплями дождя. Появление дождевых облаков между радиолокатором и целью приводит к тому, что благодаря отражению радиоволн от дождевых капель появляются шумовые помехи, которые снижают возможность надежного об наружения целей. С укорочением длины волны всегда увеличивается затухание СВЧ-сигнала за счет рассея ния электромагнитных волн молекулами газа и кап лями дождя, так что в радиолокации ограничиваются, как наиболее короткими, волнами порядка X= 8 мм. Радиолокационные установки миллиметрового диапазо на применяются не в тех случаях, когда нужна макси
156
мально возможная дальность действия, а тогда, когда требуются значительная острота направленности радио луча и высокие разрешения облучаемой местности и расположенных на ней близко один от другого наблю даемых объектов. Эхо-сигналы помех, появление кото рых обязано отражению радиоволн от водяных капель, могут быть значительно ослаблены в случае примене ния волн круговой поляризации; именно поэтому ис пользуются различные радиолокационные устройства такого рода.
г) Применение импульсных радиолокаторов и их виды
Радиолокационные установки используются для са мых разнообразных задач навигации и ориентирования. Цель применения определяет тип устройства и его ра бочую длину волны. Радиолокация важна не только для воздухоплавания, но и для других целей, как, на пример, в случае вождения морских судов. Большие скорости в авиации и движение в трех измерениях соз дают дополнительные трудности. При этом важную роль играют не только чисто радиолокационные про блемы, но и в равной степени существенны вопросы антенной техники (форма диаграммы направленности радиолуча, съемка распределения напряженности ВЧполей, пеленгование, поляризация).
Радиолокационные установки, применяемые в авиа ции, можно распределить по следующим группам:
1) радиолокаторы кругового обзора для наблюде ния за полетами на воздушных трассах в нижней н верхней частях контролируемого воздушного простран ства (от 0 до 600 м и от 6000 до 20000 м высоты) при дальности действия до 250 км и для сверхдальнего об наружения, приблизительно до 4000 км;
2)радиолокаторы кругового обзора с высокой точ ностью, применяемые при приближении самолета к аэродрому и приземлении;
3)радиолокационные станции кругового обзора в крупных аэропортах;
4)радиолокационные установки на борту самолета;
5)локаторы для наземных метеорологических стан
ций.
157
Установки сверхдальней радиолокации имеют важ ное значение для всех служб ориентирования и слеже ния за ракетами [17]. При этом следует иметь в виду, что траектория приближающейся ракеты, которая по крывает расстояния порядка 9000 км, должна опреде ляться как можно быстрее и как можно точнее. Такое расстояние ракета покрывает приблизительно за 30 мин и достигает максимальной высоты порядка 1200 км. На такой высоте цель может быть замечена радиолокато ром на максимальном расстоянии порядка 4500 км. Воз можно ли это практически — зависит от мощности ра диолокационной станции, дальность действия которой должна быть приблизительно в десять раз больше, чем для обычных радиолокаторов дальнего действия. По этому сверхдальние радиолокационные установки ра ботают при очень больших мощностях СВЧ-сигнала (клистроны с пиковой мощностью до 30 Мет), исполь зуют большие антенные зеркала или остро направлен ные антенны других типов и весьма малошумящие приемники (мазеры, параметрические усилители). Па раметр качества радиолокационных антенн фиксирован и определяется заданными условиями фокусировки луча по азимуту и углу подъема (так называемому углу ме ста); поэтому, как отмечалось, возможная ^дальность
действия радиолокатора пропорциональна У% . Исходя из этого, в сверхдальней радиолокации, как, например, в американской системе дальнего обнаружения ракет BMEWS (Ballistic Missile Early Warning System), применяют волны длиной в несколько дециметров вме сто двух других обычно применяемых более коротких волн Я=23 см или Я=10 см. Сверхнаправленные антен ны таких систем строятся в горизонтальной плоскости по параболе шириной 122 ж и в вертикальном направ лении по кривой с высотой 50 м, форма которой выби рается в соответствии с требованиями, определяющими вертикальную диаграмму направленности антенны. Что бы можно было быстро и непрерывно отыскивать цели в пространстве, измеряемом миллиардами кубических метров, н примерно определять направление и удален ность обнаруженной цели, применяют электрическое ка чание радиолуча в горизонтальном направлении. Для наблюдения больших угловых участков пространства
158
комбинируется несколько подобных радиолокационных устройств сверхдальнего обнаружения.
В противоположность установкам сверхдальнего обнаружения радиолокаторы среднего радиуса действия [18] дают возможность надежно определять координаты всех самолетов, контролируемых наземной службой воз душного обеспечения, при их удаленности от 200 до 450 км, постоянной высоте полета не ниже 10000 м и углах места от 0,5 до 25° Здесь работают на волнах длиной 23 см и при мощности СВЧ-импульса, генери руемого импульсным магнетроном, 1 Мет.
Радиолокационные станции кругового обзора, уста навливаемые на аэродромах ASR (Airport Surveillance Radar), имеют незначительный радиус действия, около 100 км. Они служат для наблюдения воздушных окрест ностей аэродромов и должны иметь хорошую разре шающую способность при высоком содержании инфор мации в принимаемом сигнале. На рис. 85а и 856 показана блок-схема, дающая представление о конструк ции и принципе действия аэродромной РЛС. Антенна, вращающаяся со скоростью 24 об/мин, излучает в се кунду 1200 радиолокационных импульсов. Если само
лет |
находится |
на расстоянии |
не более ПО км и летит |
на |
высоте не |
ниже 8000 м, |
то он может наблюдаться |
на экране индикатора. Чтобы исключить наблюдаемые одновременно неподвижные цели, находящиеся на по верхности Земли (так называемые «местные предме ты»), в станции предусмотрена специальная схема ис кусственного гашения неподвижных отметок, MTI (Mo ving Target Indication), которая выделяет сведения только о движущихся целях. Этот элемент показан в средней части рис. 856. Видеоустройство (приборы для визуального наблюдения) размещается в башне управ ления аэродрома. Радиолоцман по радиотелефону про водит приближающийся самолет в так называемое «пространство ожидания», где сообщаются дальнейшие указания для приземления. Из соображений надеж ности все устройства дублируются, так что при по явлении каких-либо помех по основному каналу
связи |
можно немедленно переключиться на резервный |
канал. |
Эта установка работает на длине волны |
Я=10 |
см (2700-f-2900 Мгц)\ ВЧ-импульсы посылаются |
159