Особенности радиолокационной аппаратуры

..

Особенности аппаратуры судовой РЛС определяются применением СВЧ устройств, работающих в импульсном режиме, волноводов, механизмов вращения антенны, устройств визуального отображения информации и т.д.

Особенность, связанная с применением СВЧ устройств, работающих в режиме излучения, накладывает ограничения на конструкцию и размещение этих устройств. Здесь имеется ввиду то обстоятельство, что СВЧ излучение является вредным для здоровья человека и в первую очередь для его зрения. Поэтому конструкция передатчика, СВЧ соединений и антенно-фидерного тракта должны быть СВЧ герметичного исполнения. Размещение приборов РЛС определяется их взаимосвязью. Одним из основных ограничений в их размещении является необходимость возможно минимального разнесения передатчика и антенны с целью сокращения длины, количества изгибов и соединений фидерного тракта. Следует уточнить, что под минимальным разнесением в данном случае понимается не расстояние по вертикали или горизонтали между приборами, а общая длина фидерного тракта. С точки зрения обеспечения безопасности здоровью человека антенна РЛС должна  размещаться таким образом, чтобы её диаграмма направленности не охватывала те места верхнепалубного пространства, где в период работы РЛС могут находиться члены экипажа. Реально это требование в полной мере выполнить невозможно, поэтому экипажу должны быть известны и указаны все верхнепалубные места, ограничивающие местонахождение людей или возможность их временного пребывания при работающей РЛС.

 ИКО является тем прибором РЛС, к которому должен быть обеспечен свободный доступ, как для ремонта, так при работе РЛС по прямому назначению для одновременного наблюдения экрана несколькими лицами.

Являясь, функционально, очень сложным радиоэлектронным устройством, РЛС «обладает набором» принципиально всех электрических цепей: от слаботочных, нуждающихся в защите от статического потенциала человеческих рук до высоковольтных,, где прикосновение к таким цепям создает угрозу самой человеческой жизни. Наиболее опасным в этом смысле являются модулятор передатчика и магнетронный генератор СВЧ, работа которого кратковременными импульсами требует специальных импульсных модуляторов достаточно большой мощности.

 Главной особенностью функционального построения приемного тракта РЛС является необходимость обнаружения и выделения на фоне помех природного и искусственного происхождения очень слабых отраженных СВЧ сигналов, а также их преобразование и усиление до величины, обеспечивающей качественную информацию о цели. Так как усиление сигналов непосредственно на частоте СВЧ колебаний, до сих пор является технически сложной задачей, то приемники РЛС исполняются по супергетеродинной схеме, в которой СВЧ сигнал в большинстве своем без предварительного усиления на сигнальной частоте сразу преобразуется в сигнал более низкой (на несколько порядков) промежуточной частоты, на которой обеспечивается достаточно широкая полоса пропускания, необходимая для усиления кратковременных импульсов. Преобразование частоты выполняется с помощью маломощного собственного генератора СВЧ — гетеродина, в качестве которого используется отражательный клистрон или генератор на диоде Ганна. Смесители — кристаллические диоды, размещаемые в специальных волноводных секциях. В большинстве современных РЛС применяют приемники с логарифмическими усилителями промежуточной частоты (УПЧ). Другие каскады приемника, связанные с регулировкой усиления, преобразованием видеоимпульсов, имеют также свои особенности, обусловленные импульсной работой РЛС.

В построении антенны и волновода, связывающего ее с приемопередатчиком, в котором размещен антенный переключатель, особенности, обусловленные работой на СВЧ, проявляются наиболее ярко. Обеспечение достаточной направленности при небольших габаритах и массе в современных РЛС достигается с помощью щелевых антенн, а в последнее время — комбинированных щелевых диэлектрических. В РЛС, работающих на частотах десяти сантиметрового диапазона, как правило, в качестве фидерной линии вместо волновода применяют коаксиальный кабель, поскольку на частотах до 3 ГГц потери в коаксиальном кабеле не достигают тех значений, при которых применение коаксиального кабеля становится неоправданным. Конечно, наиболее оптимальным вариантом с точки зрения минимизации потерь является применение РЛС с встроенным в антенное устройство приемопередатчиком, когда исключается необходимость в фидерной линии. 

Если к настоящему времени четко сформировано функциональное построение антенны, передатчика и приемника и их функциональные схемы, по сути, сохраняются неименными, то ИКО постоянно находятся в процессе совершенствования. Даже само название этого прибора определяется по-разному. В зарубежной технической литературе – блок дисплея (Display Unit), в отечественной можно встретить определение современных ИКО как программно-аппаратный комплекс (ПАК) и даже – автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора. Ну, а если по существу, то в развитии ИКО четко прослеживаются три этапа, которые связаны с тремя факторами технического совершенствования:

1.    Совершенствование устройств визуального отображения информации: ЭЛТ с магнитным отклонением луча → ЭЛТ (кинескопы) с растровым (телевизионным) формированием развертки → ЖК-мониторы

2.    Применение в решении всё более усложняющихся навигационных задач микропроцессорной техники, которая среди всех направлений микроэлектроники, имеет более быстрое и постоянное развитие.

3.    Интеграция РЛС в структуру судовых навигационных комплексов, когда данные о целях, наблюдаемых РЛС, должны отфильтровываться от помех и преобразовываться в цифровую форму с целью возможности отображения их на судовых ПК – мониторах или дисплеях электронных картографических систем, равно как и на экране ИКО должна воспроизводиться информация от навигационных датчиков (GPS, лаг, гирокомпас, АИС и др.), подключенных к РЛС.

Эффективность работы современных судовых РЛС во многом зависят от того, насколько реализованные в компьютерном блоке индикатора, а также возможности связи и обмена информацией РЛС с внешними пользователями удовлетворяют современным требованиям радиолокационного наблюдения и расхождения судов.

Говоря об особенностях радиолокационной аппаратуры необходимо также отметить и разнообразие применяемой базы: от электровакуумных приборов(ЭЛТ в индикаторе, магнетрон в передатчике), полупроводниковых транзисторов, диодов и интегральных микросхем до электромагнитных устройств, таких как реле, переключатели, электродвигатели, трансформаторы, силовые выпрямители и др.  

 

 6.3. Функциональные узлы РЛС

 6.3.1. Передатчик

Согласно структурной схеме (рис.2.29) передатчик судовой навигационной РЛС состоит из генератора сверхвысокой частоты (СВЧ), импульсного модулятора и источника питания.

Рис.2.29. Структурная схема радиолокационного передатчика

 

Передатчик вырабатывает мощные кратковременные импульсы СВЧ, момент излучения которых строго согласован с началом радиально-круговой развертки в ИКО. По схеме исполнения генератор СВЧ является мощным генератором с самовозбуждением. В диапазоне частот, на которых работают судовые РЛС (сантиметровые и миллиметровые волны) в качестве генераторов СВЧ применяются магнетронные генераторы.

Магнетронный генератор.

В состав магнетронного генератора входят: магнетрон, трансформатор накала и система охлаждения анода магнетрона (вентилятор).

Магнетрон представляет собой двухэлектродный вакуумный прибор, выполненный как единое целое с резонансной системой в виде объемных резонаторов, работа которых рассматривалась в курсе основ радиотехники. Устройство такого магнетрона показано на рис.2.30.

Рис. 2.30. Устройство магнетрона

 

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 подогреваемыйной 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.

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.

Магнитное поле создается внешним постоянным магнитом, силовые линии которого действуют вдоль оси катода и анода, электрическое – за счет подачи на анод высокого (до 7…14 кВ) постоянного напряжения. Накал катода производится переменным напряжением 6,3 вольта от отдельного низковольтного трансформатора Т источника питания (см. рис.2.31).Анод магнетрона 1, являющийся корпусом прибора, заземляется. Поэтому выводы катода 10 так же, как и низковольтного трансформатора накала катода тщательно изолируются от корпуса.

 

Рис.2.31.Схема включения магнетронного генератора.

 

Спица"

При работе магнетрона анод разогревается попадающими на него электронами, поэтому во избежание перегрева магнетрон должен обдуваться вентилятором. Для предотвращения выхода магнетрона из строя при подаче на него высокого напряжения с модулятора, напряжение накала катода снижают примерно до 4 вольт за счет включения в первичную обмотку накального трансформатора гасящего резистора. Импульсный анодный ток магнетрона протекает по цепи от зажима «+» модулятора через анод – катод магнетрона на отрицательный зажим модулятора.

2.32. Принцип работы магнетрона

 

Физические процессы, протекающие в магнетроне можно пояснить с помощью рис.2.32.

При отсутствии магнитного поля под действием электрического поля электроны, вылетевшие с катода, летели бы прямолинейно к аноду (траектория 1 на рис. 2.32, б). При наличии магнитного поля на движущиеся электроны действует сила

F = ev В,                (1.22)

Где: е — заряд электрона;

v —скорость электрона;

В — магнитная индукция.

Действие силы F искривляет траектории полета электронов (траектории 2, 3, 4 на рис. 2.32,6). Индукция магнитного поля Вкр, при которой электроны пролетают в непосредственной близости от анода, не попадая на него, называется критической. Магне троны работают при индукции, несколько превышающей критиче скую. В результате одновременного действия электрического и магнитного полей в пространстве между анодом и катодом форми руется вращающийся пространственный заряд (закрученное элек тронное облако).

Для объяснения механизма генерации колебаний необходимо учесть взаимодействие электронов, теперь уже движущихся попе рек щелей, с переменным электрическим полем, появляющимся между стенками щелевых отверстий объемных резонаторов при возбуждении в них электромагнитных колебаний. Последние возникают как собственные затухающие колебания резонаторов в момент подачи анодного питания. Задача состоит в том, чтобы возникшие колебания поддержать, сделав их незатухающими.

На рис. 2.32,в показано распределение переменного электриче ского поля Е ~ в щелях объемных резонаторов для одного полу периода колебаний. Для обеспечения устойчивой работы магнетро на соседние резонаторы должны работать со сдвигом по фазе на 180°. Это достигается применением колец связи или чередованием разнорезонаторных систем. Группа электронов, пролетающая в данный момент под щелью 11, будет испытывать тормозящее действие поля резонатора. Их кинетическая энергия отдается полю резонатора, идет восполнение потерь энергии. Примерно такая же группа электронов под щелью резонатор a , наоборот, ускоряет ся, а следовательно, потребляет энергию. На первый взгляд, об щий баланс энергий нулевой. Однако, если учесть, что замедляемые электроны вследствие притяжения положительным в данный момент сегментом анода пролетают ближе к щели резонатора и интенсивно взаимодействуют с его полем, а ускоряемые электроны отталкиваются отрицательным сегментом, пролетают дальше от щели и их взаимодействие с полем резонатора менее интенсивно, общий баланс энергий оказывается в пользу поддержания колебаний. В результате неодинакового взаимодействия электронов с электрическими полями соседних резонаторов в электронном облаке формируются спицы и вмятины. Количество спиц в 2 раза меньше количества резонаторов. Число резонаторов должно быть четным.

Для нормальной работы магнетрона необходимо выполнить еще и условие синхронизма между высокочастотным полем и дви жущимся электронным потоком. Выбором значения анодного на пряжения и индукции магнитного поля достигается такая частота вращения электронного облака, что время пролета электронов между двумя соседними щелями будет равно половине периода собст венных колебаний резонаторов. В этом случае в следующий полу период спица вновь окажется под тормозящей щелью, чем и обес печивается незатухающий характер колебаний.

Модулятор передатчика.

Импульсный модулятор передатчика предназначен для управления колебаниями генератора СВЧ. Модулятор вырабатывает мощные высоковольтные импульсы приближенно прямоугольной формы заданной длительности, рис.2.32. Под воздействием этих импульсов анод магнетрона вырабатывает импульсы СВЧ, излучаемые антенной. Для обеспечения нормальной работы магнетрона и устранения нежелательных колебаний в нем длительность фронта модулирующего импульса должна быть в пределах tф = (0,1…0,2) τи, где τи – длительность импульса

Рис. 2.32. Модулирующий импульс.

Длительность спада импульса может быть несколько больше, в пределах τс = (0,2…0,3) τи.

Особенно высокие требования предъявляются к стабильности напряжения модулирующего импульса. Относительный спад модулирующего импульса ΔU/U max не должен превышать 1 - 2%.

Полярность модулирующих импульсов для магнетронных генераторов должна быть отрицательной относительно земли (корпуса). Объясняется это тем, что анод магнетрона заземляется.

Принцип действия импульсных модуляторов основан на медленном накоплении запаса энергии в специальном накопителе в промежутке времени, между импульсами с последующей быстрой отдачей энергии нагрузке модулятора, т. е. магнетронному генератору, за короткий промежуток времени, равный длительности импульса.

Структурная схема импульсного модулятора изображена на рис.2.33. Она содержит в своем составе следующие основные элементы: источник питания (высоковольтный выпрямитель), ограничитель, накопитель энергии, коммутирующий прибор К. и нагрузку в виде генератора СВЧ. Когда коммутирующий прибор разомкнут, накопитель заряжается от высоковольтного выпрямителя через ограничитель и шунтирующий нагрузку элемент.

В момент замыкания коммутирующего прибора происходит разряд накопителя на нагрузку (магнетронный генератор), вследствие чего на зажимах нагрузки возникает импульс напряжения заданной длительности.

.С энергетической точки зрения импульсный модулятор является трансформатором мощности, так как энергия запасается в накопителе в течение длительного промежутка времени Ти – τи между импульсами, а отдается нагрузке в течение длительности импульса τи.

Рис.2.33. Структурная схема импульсного модулятора.

 

Накопители могут быть емкостными , индуктивными или комбинированными на основе накопительных длинных линий из LC элементов. В модуляторах судовых навигационных РЛС наиболее широкое распространение получили схемы с накопительным конденсатором и схемы на длинных линиях. Широкое применение имеют магнитные модуляторы, где накопление энергии осуществляется с помощью цепей, содержащих как конденсаторы, так и нелинейные катушки индуктивности с магнитными сердечниками. Упрощенная схема модулятора с накопительным конденсатором приведена на рисунке 2.34.

 

Рис. 2.34.Схема модулятора                       Рис. 2.35. Графики процессов в схеме модулятора с накопительным конденсатором.

 

Схема содержит накопительный конденсатор C (накопитель), ограничительный резистор Rо (накопитель), коммутирующий (модуляторный) тиристор D (ключ), резистор R (шунтирующий элемент) и нагрузку в виде магнетрона М (генератор СВЧ). Схема питается от высоковольтного выпрямителя « +Е». График процессов в схеме показан на рис. 2.35. В интервале между импульсами, поступающими на вход модулятора Uвх, тиристор D закрыт и накопительный конденсатор C заряжается от высоковольтного выпрямителя E через резисторы Ro и R до уровня U1 (см.рис.2.35, б). При поступлении через разделительный конденсатор Cр на управляющий электрод тиристора D импульса τи  тиристор открывается, его сопротивление резко падает, создавая цепь разряда конденсатора C через резистор R и магнетрон M. В первоначальный момент пока напряжение на магнетроне не достигнет величины Uо разрядный ток протекает только через резистор R. При достижении на магнетроне порогового уровня Uо (см. 2.35, в), магнетрон переходит в режим генерации СВЧ колебаний и с этого момента основная составляющая разрядного тока потечет через магнетрон, т.к. в режиме генерации его внутреннее сопротивление примерно в 10…20 раз меньше сопротивления резистора R. При этом напряжение на магнетроне быстро увеличивается от пороговой величины до рабочего значения Uа. С окончанием импульса τи  на управляющем электроде тиристор закрывается, и разряд конденсатора C прекращается. Однако из-за паразитных емкостей монтажа схемы ток через магнетрон прекратится не сразу, а через время, определяемое длительностью спада tc, (см.рис.2.35,в). При большой паразитной емкости монтажа и межэлектродной емкости магнетрона длительность спада tс может достигать нескольких микросекунд. При такой большой длительности спада магнетрон может генерировать спектр низковольтных колебаний или создавать большие шумы, которые могут снизить на некоторое время чувствительность приемника, от чего может увеличиться минимальная дальность РЛС. Для снижения длительности спада tс совершенствуют технологию монтажа, например, применяют безвыводные компоненты поверхностного монтажа (КПМ), а также вводят в схему корректирующие элементы: вместо шунтирующего резистора ставят индуктивности и диод, как показано на схеме рис. 2.36.

 

 

 

Рис..2.36. Схема модулятора с шунтирующей индуктивностью

 

Общий принцип работы схемы с шунтирующей катушкой аналогичен работе схемы с шунтирующим резистором. Необходимо только отметить, что к моменту поступления на вход тиристора D1 запускающего импульса ток через катушку индуктивности отсутствует, т.к. накопительный конденсатор C заряжен. Поэтому сразу после открытия тиристора ток разряда конденсатора через катушку не потечет, величина порогового напряжения Uо, определяющего начало генерации магнетрона, достигнет своего значения раньше, чем в схеме рис.2.34, следовательно длительность переднего фронта tф также уменьшится. Ток через катушку индуктивности iL начинает расти (см. рис. 2.37) и к моменту окончания запускающего импульса значение тока iL достигнет своей максимальной величины.

Ток через магнетрон вследствие увеличения тока через катушку индуктивности будет уменьшаться быстрее, чем в схеме рис.234, следовательно время спада импульса  tс уменьшится. После окончания запускающего импульса тиристор D1 запирается и

 

 

Рис. 2.37. Графики процессов в схеме с шунтирующей индуктивностью.

 

 паразитная емкость монтажа схемы разрядится через катушку индуктивности, поскольку сопротивление магнетрона при отсутствии генерации становится бесконечно большим. Разрядный ток паразитной емкости совпадает по направлению с током iL , что способствует ускорению её разряда. Т.к. как катушка индуктивности L и паразитная емкость образуют колебательный контур, то разряд паразитной емкости будет иметь колебательный характер, что может привести к возбуждению магнетрона. Поэтому для подавления колебательного процесса в схему введен шунтирующий диод D2.

 Запуск модулятора управляется  синхроимпульсами, вырабатываемыми в синхронизаторе ИКО, но не напрямую, а через буферный каскад, называемый подмодулятором. Основной задачей подмодулятора является формирование необходимой длительности модулирующего импульса, которая может быть различной и зависеть от выбранной шкалы дальности. При переходе от малых шкал дальности к большим длительность импульсов τи, вырабатываемых подмодулятором также увеличивается и наоборот. Практически, подмодулятор окончательно формирует прямоугольные импульсы для управления модуляторным каскадом.

Таким образом, длительность СВЧ импульсов τг, (см. рис. 2.35,в), генерируемых магнетроном определяется длительностью импульсов, вырабатываемых подмодулятором. Как правило, каждая судовая навигационная РЛС имеет несколько ступеней длительности импульсов СВЧ в диапазоне от 0,025 до 1.2 микросекунд в зависимости от модификации РЛС и её использования.

 

⇐ Предыдущая11121314151617181920Следующая ⇒

Поделиться: