Соединение волноводных секций

 

Волноводная линия на судне собирается из отдельных секций по месту установки приемопередатчика и антенны. Для сочленения этих секций между собой применяют дросселъно-фланцевые соединения. Принцип дроссельно-фланцевого соединения двух неподвижных отрезков волновода показан на рис. 2.40. Один фланец плоский, другой при непосредственном соединении с первым образует полуволновой короткозамкнутый отрезок длинной линии. Поскольку входное сопротивление такого отрезка линии равно нулю, то в волноводном стыке создается короткое замыкание, и энергия без заметного отражения будет переходить из одной секции волновода в другую.

Волноводная линия судовой РЛС может иметь различный профиль в зависимости от размещения антенны и приемопередатчика. Поэтому волноводные секции могут быть различной длины и конфигурации. Для каждого судна может быть своя конфигурация волноводной линии, поэтому 

Рис. 2.40 Дроссельно-фланцевое соединение

 

 Заказчик (судовладелец) при заключении контракта на поставку РЛС должен предоставить Поставщику (фирме) схему конфигурации волновода или перечень необходимых секций.

Вращающийся волноводный переход

При работе судовой РЛС в режиме кругового обзора антенна вращается, а приемопередатчик неподвижен. Вследствие этого возникает необходимость в наличии в антенно-волноводном тракте вращающегося перехода. Широкое использование на практике

получила схема волноводно-коаксиального вращающегося перехода, показанная на рис.2.41.

 

 

 

 

От генератора

 

 

Рис. 2.41 Вращающийся антенный переход.

 Электрический контакт между вращающейся и неподвижной частями волноводной линии обеспечивается за счет четвертьволнового трансформатора, разомкнутого на конце отрезка. Известно, что входное сопротивление такого отрезка линии равно нулю.

Тем самым обеспечивается условие перехода энергии от приемопередатчика к антенне и обратно без заметного отражения от вращающегося перехода.

Конструкция перехода.

Неподвижный прямоугольный волновод 1 плавно изменяет к концу свое сечение на круглое 4. Вращающийся с антенной волновод 10 со стороны широкой стенки α имеет цилиндрический отросток 5, который входит без касания в цилиндрическую часть неподвижного волновода 4 на глубину λ в/4; при этом относительно места стыка волноводов n- n образуется разомкнутый отрезок λ в/4. К середине широкой стенки α неподвижного волновода1 припаян штырь 3, который с круглыми волноводами 4 и 5 создает воздушную коаксиальную линию. В волноводе 1 штырь 3 образует петлю связи 2. При появлении в неподвижном волноводе электромагнитных колебаний магнитное поле пересекает петлю связи 2 и индуктирует в ней э.д.с. Петля связи в свою очередь возбуждает колебания в коаксиальной линии 3,4,5. При передаче по коаксиальной линии бегущей волны в разомкнутом отрезке λв/4 , образованном круглыми волноводами 4 и 5, возникает стоячая волна и входное сопротивление этого отрезка от носительно сечения п— n становится равным нулю, что равносильно непосредственному соединению волноводов 4 и 5.

На конце штыря 3 имеется зонд 11 в форме шарика, который возбуждает колебания во вра щающемся волноводе 10.

Согласование коаксиального перехода произво дится путем перемещения глухой стенки 12 волно вода 10 регулировочным винтом 13. Неподвижный волновод механически соединен с вращающимся волноводом с помощью центрирующего шарикового подшипника 7.Внутренняя обойма 6 подшипника укреплена на неподвижном волноводе 4, а наружная обойма 8 – во фланце 9 вращающегося волновода.  

Антенные переключатели

 

При использовании в РЛС одной общей антенны, как для передачи, так и для приема радиолокационных сигналов обязательным является наличие антенного переключателя (АП). Переключатель осуществляет коммутацию антенны с передачи на прием и  обратно и защищает вход приемника от .проникновения чрезмерно большой мощности СВЧ. Источником  этой мощности является собственный передатчик РЛС, а также могут быть соседние РЛС, работающие на одной и той же частоте. Влияние соседних РЛС может сказываться как при включенной, так и при полностью выключенной собственной РЛС.

К антенным переключателям предъявляются следующие требования.         

В момент передачи мощность, просачивающаяся на вход приемника, должна быть как можно меньше. На волнах сантиметрового диапазона, где применяются смесители на полупроводниковых диодах, величина попадающей на вход мощности не должна превышать 0,1Вт. При большей мощности диод может выйти из строя.

АП должен быть быстродействующим. Время срабатывания не должно превышать сотых долей микросекунды. В противном случае сильно увеличивается просачивающаяся на вход приемника мощность и возрастает минимальная дальность РЛС из-за увеличения времени восстановления чувствительности приемника.

Потери .мощности при передаче и особенно при приеме отраженных сигналов должны быть минимальными.

 

В судовых РЛС наибольшее  применение получили ферритовые переключатели, в которых используется основное свойство ферритов — малая электропроводность и ярко выраженные магнитные свойства. Ферриты используются в СВЧ-диапазоне для создания циркуляторов, фазовращателей, переключателей и других устройств.

Обязательным элементом антенных переключателей является также газонаполненный разрядник— двухэлектродный или трехэлектродный  прибор, наполненный смесью водорода и водяных паров. Электроды расположены близко друг к другу и имеют форму конусов.

Принцип работы разрядника следующий. При отсутствии напряжения между электродами газ внутри разрядника не ионизирован, сопротивление между электродами большое, цепь разорвана. При подаче на электроды достаточно большого напряжения газ ионизируется, разрядник пробивается, между электродами возникает короткое замыкание. После снятия напряжения газ деионизируется, сопротивление между электродами восстанавливается. Процесс ионизации и деонизации происходит лавинообразно и не превышает нескольких сотых долей микросекунды. Для увеличения чувствительности и уменьшения времени срабатывания газовый разрядник дополняется третьим — «поджигающим» электродом и объединяется с объемным резонатором, настроенным на частоту колебаний магнетрона. На «поджигающий» электрод от модулятора подается постоянное напряжение, что способствует быстрому образованию дуги в главном промежутке.

Ферритовый антенный переключатель, рис.2.42, состоит из двух спаянных узкими стенками

 

 Рис. 2.42. Ферритовый антенный переключатель.

 

волноводных секций, в которых находятся два щелевых моста ЩМ-1 и ЩМ-2, два феррита, выполняющие роль фазовращателей, фазосдвигающая секция ФСС, керамический поглотитель КП и разрядник защиты входа приемника ГР. На внешней части волноводных секций находится постоянный магнит, поле которого воздействует на ферриты.

Щелевой мост ЩМ представляет собой два отрезка волноводной линии прямоугольного сечения с общей узкой стенкой.  Волноводные отрезки связаны между собой щелью, вырезанной в общей узкой стенке волновода. Если в плечо моста поступает СВЧ энергия, то она распределяется поровну между секциями 1 и 2, причем энергия, ответвляющаяся в секцию 2 антенного переключателя, будет отставать по фазе на 90˚ относительно энергии секции 1.

 

Приведенный на рис. 2.42 ферритовый антенный переключатель работает следующим образом.

СВЧ колебания, (рис.2.42.а) генерируемые магнетроном, поступают по верхней секции 1  на щелевой мост ЩМ-1. Здесь половина энергии ответвляется в нижнюю секцию (волна 2), а другая половина продолжает движение по верхней секции (волна 1). При прохождении через щелевой мост волна 2 получает сдвиг фаз на 90°. Далее волна 2 при прохождении через феррит Ф2 получает дополнительный сдвиг на 90°, в то время как волна 1 при прохождении через феррит Ф1 дополнительного сдвига по фазе не получает. При прохождении фазосдвигающей секции ФСС волна 2 проходит путь на 0,25 λ больший, чем первая, вследствие чего эта волна получает еще дополнительный сдвиг по фазе на 90°.

К щелевому мосту ЩМ-2 волны придут со сдвигом по фазе на 270°. Здесь энергия обеих волн делится пополам и фазы их сдвигаются на 90°. В результате к антенне обе волны приходят в фазе, а к поглотителю — в противофазе. Таким образом, поле у поглотителя будет отсутствовать, и вся энергия от передатчика передается к антенне.

При наличии на внутренних стенках волновода различных шероховатостей, а также при несогласовании антенны с волноводом энергия магнетрона частично отражается в обратном направлении и может поступить на вход приемника. В этом случае газовый разрядник ГР пробивается, закорачивая вход приемника. При закороченном разряднике энергия отражается обратно и после прохождения щелевых мостов и ферритов в антенну не поступает, а полностью поглощается керамическим поглотителем КП.

Работа антенного переключателя на прием показана на рис. 2.42,б.

.Принятая антенной энергия в мосте ЩМ-2 делится на 2 волны; волна 2 получает сдвиг фазы на 90°. После прохождения фазосдвигающей секции сдвиг фаз между волнами возрастает до 180°. За ферритами сдвиг фазы между волнами уменьшается до 90°, так как при движении справа налево фаза волны 2 дополнительного сдвига не получает, а фаза волны / получает сдвиг на 90°. После моста ЩМ-1 в канал приемника волны приходят в фазе, а в канал передатчика в противофазе. Таким образом, поле в канале магнетрона отсутствует и принятая антенной энергия целиком передается в тракт приемника.

Развязка приемника от передатчика на время работы магнетрона осуществляется газовым разрядником. Колебания магнетрона нарастают не мгновенно. Газовый разрядник вспыхивает уже в начале процесса нарастания колебаний магнетрона и закорачивает вход приемного тракта, исключая проникновение более мощных колебаний. Кроме того, значительная развязка обеспечивается первым щелевым мостом ЩМ-1.

 

В современных РЛС наиболее применяемым является антенный переключатель на

К антенне

К приемнику

Рис. 2.43. Схема и принцип действия ферритового циркулятора

 

Рис. 2.44. Ферритовый циркулятор:

а) V- образной формы,      б) T- образной формы

В современных РЛС наиболее применяемым является антенный переключатель на

основе V- образного ферритового циркулятора. Ферритовый циркулятор, рис.2.43, 2.44. представляет собой волноводный или коаксиальный тройник, внутри которого помещен ферритовый вкладыш Ф1, находящийся в постоянном магнитном поле. Так же, как и в рассмотренном выше переключателе, феррит под действием постоянного магнита пропускает СВЧ энергию в одном направлении и не пропускает в другом. Отличие циркулятора от ферритового переключателя заключается в его принципе действия.  

Ферритовые циркуляторы в своем принципе действия используют явление гиромагнитного резонанса. Под действием постоянного магнитного поля электроны феррита закручиваются вокруг своих осей, направленных вдоль магнитных силовых линий. Угловая частота вращения электронов ωо пропорциональна напряженности магнитного поля. Если к ферриту подвести электромагнитные колебания, у которых вектор Н напряженности магнитного поля  вращается с такой же частотой и в том же направлении, то феррит будет интенсивно поглощать энергию высокочастотного поля, и поле будет ослабляться. Если же частота подводимых колебаний существенно отличается от частоты ωо или вращение вектора Н происходит в противоположном направлении, то высокочастотное поле не ослабляется и колебания проходят беспрепятствен. Из рисунка видно, что вектор поля Н волновода 1 направлен навстречу вращения электронов феррита, и поэтому СВЧ колебания от передатчика проходят в волновод 11 без затухания. По другую сторону феррита (волновод 111) электроны и вектор поля Н волновода 1 совпадают в направлении, поэтому СВЧ колебания от передатчика поглощаются.

 Если СВЧ колебания (эхосигнал) поступают в волновод 11, то поглощение этих колебаний будет в направлении волновода 1, а в направлении волновода 111 они свободно проходят к приемнику РЛС.

Таким образом, сигнал, поступающий в волновод 1, выходит из волновода 11, а сигнал, поступающий в волновод 11, выходит из волновода 111.

Основное достоинство таких антенных переключателей – их компактность.

 

Антенны РЛС

 

В связи со спецификой работы судовых навигационных радиолокационных станций к антеннам этого типа РЛС предъявляются следующие требования:

-      возможность обзора (сканирования) пространства  по азимуту в пределах 360°;

-     обеспечение заданной формы диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях;

-      широкая полоса пропускания частот;

-      минимальная интенсивность боковых лепестков;

-      достаточная механическая прочность и жесткость в сочетании с минимальной массой, размерами и парусностью.

Круговой обзор по азимуту необходим для непрерывного наблюдения за окружающей судно обстановкой в радиусе действия РЛС. Острая направленность антенны дает возможность определения направления на обнаруженный объект, увеличивает разрешающую способность РЛС по азимуту, повышает точность измерения направлений.

Направленность антенны обеспечивает также пространственную селекцию полезного сигнала в результате преимущественного приема с направления на данный объект и ослабления мешающего действия сигналов и помех, поступающих на вход антенны с других направлений.

Хотя РЛС работает на фиксированной несущей частоте, импульсный характер излучаемых и принимаемых сигналов, а также некоторое изменение частоты передатчика при работе станции требуют, чтобы антенна обеспечивала определенную полосу пропускания.

Ширина этой полосы в диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн должна находиться в пределах 40…50 МГц.

Наличие боковых и заднего лепестков вызывает бесполезный расход энергии передатчика, увеличивает уровень помех на входе приемника и создает предпосылки для возникновения ошибок при определении направления на объекты. В связи с этим уровень  боковых лепестков должен быть максимально подавлен (примерно в 1000 раз по отношению к основному лепестку).

Основными параметрами антенн навигационных РЛС являются:

-      диаграмма направленности в горизонтальной и в вертикальной плоскостях;

-      коэффициент направленного действия;

-      входное сопротивление,

-      сопротивление излучения;

-      коэффициент полезного действия,

-      частотная характеристика;

-      вид поляризации и

-      уровень подавления боковых лепестков.

Пожалуй, наибольшее количество антенн различного типа и их разновидностей применяется в СВЧ диапазоне. Среди них можно ( условно) выделить такие, как рупорные, параболические, щелевые, линзовые, диэлектрические, антенны поверхностных волн, фазированные антенные решетки(ФАР).

Однако, в судовых РЛС в основном нашли применение щелевые антенны и их разновидности: рупорно-щелевые и щелевые антенны с диэлектрическими формирователями диаграммы направленности в вертикальной плоскости.  Это обусловлено тем, что щелевые антенны при сравнительно небольших габаритах обеспечивают узкую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости.

Щелевая антенна, рис.2.44 и 2.45, представляет собой волновод, в стенке которого (обычно узкой) прорезаны щели 1на равном расстоянии друг от друга. Щели отделены друг от друга металлическими переборками-фильтрами2, которые уменьшают взаимное влияние щелей, что позволяет уменьшить боковые лепестки диаграммы направленности. Волновод со щелями помещается в металлический рупор 3 из легкого сплава, раструб которого закрывается

 

Рис.2.44.Конструкция щелевой антенны

 

Рис. 2.45. Общий вид щелевой антенны.

Радиопрозрачной герметичной пластиной 4. В конце щелевого волновода установлен керамический поглотитель 5, который поглощает без отражения всю попадающую в него СВЧ энергию. Вращающийся волноводный переход 6, конструкция которого приведена на рис.2.41. Вращающаяся волноводная секция 7 соединяется непосредственно со щелевой антенной с помощью дроссельно-фланцевого соединения.

Принцип действия щелевой антенны заключается в следующем. Если на неограниченной проводящей плоскости прорезать узкую щель длиной, равной половине длины волны λ/2 и к ее середине подвести питание от генератора соответствующей частоты, то щель будет излучать электромагнитную энергию аналогично полуволновому симметричному вибратору, см. рис. 2.46,а..

Рис. 2.46.Щелевой излучатель

Различие состоит только в том, что у щелевой антенны магнитная составляющая направлена вдоль щели (см.Н1 и Н2 на рис. 2.46,в) а электрическая составляющая – перпендикулярно. .Магнитное поле (рис. 2.46,б) возбуждает в щели электромагнитные колебания, поэтому щелевая антенна  является магнитной антенной, излучающей горизонтально поляризованное электромагнитное  поле. .

На основании свойства взаимности антенн передающая щелевая антенна является одновременно и приемной антенной. В реальных условиях щель вырезается на стенке волновода. Питание щели осуществляется поверхностным током, текущим по внутренним стенкам волновода. Излучение энергии происходит только в одну сторону, так как противоположная стенка волновода выреза не имеет. Поскольку щель эквивалентна полуволновому вибратору, то она также обладает направленным излучением. В плоскости, перпендикулярной оси щели, диаграмма направленности имеет вид, близкий к полусфере, так как в сторону, противоположную щели, вырезанной на стенке волновода, энергия не излучается. Длина щели выбирается практически несколько меньше λ/2 так же, как и укорочение полуволнового симметричного вибратора.

Ширина диаграммы направленности щели (в градусах) по точкам половинной мощности равна

γ = 50,4 λ / l             (1.24)

где: I — длина щели.

Одна щель создает очень широкую диаграмму направленности, поэтому для получения узкой диаграммы в волноводе прорезается большое количество щелей. Чтобы обеспечить синфазность излучения щелей они должны располагаться друг от друга на расстоянии равном λв/2 и с наклоном относительно оси волновода 70˚.При таком наклоне щелей антенна излучает горизонтально поляризованную волну.  Расположение щелей является определяющим фактором в формировании диаграммы направленности. В главном направлении (перпендикуляр к середине волновода) электромагнитные колебания каждой щели в этом случае совпадают по фазе, а следовательно, суммируются. Уменьшение наклона щелей к краям антенны позволяет уменьшить уровень боковых лепестков

Общая ширина диаграммы направленности многощелевой антенны в горизонтальной плоскости  (в градусах) зависит от количества  прорезанных щелей- вибраторов и определяется по формуле

γ= 101/ N                (1.25)

где: N - количество щелей.

Как известно из курса «Радиотехника и электроника», режим бегущей волны в длинной линии образуется, когда к линии подключена нагрузка, сопротивление которой равно волновому сопротивлению длинной линии. В случае неравенства этих сопротивлений должны применяться специальные  согласующие устройства. В любом другом варианте возникает отраженная волна. В нашем случае соотношение между излучаемой СВЧ энергией и отражаемой обратно определяется согласованностью волнового сопротивления щелевого волновода с волновым сопротивлением свободного пространства.

Волновое сопротивление волновода прямоугольного сечения

ρ_в = 1 20πλ_в/λ= 120π / √1 - (λ/2α)²,          (1.26)

где : λв - длина волны в волноводе.     

Волновое сопротивление свободного пространства ρ_с=120π.

Условием согласования является равенство ρв =ρс

Из приведенных выражений видно, что условие согласования требует приближения значения  (λ/2а)² к нулю.

Следовательно, согласование волновода и свободного пространства при заданной длине волны λ можно выполнить путем увеличения широкой стенки волновода α, т. е. необходимо создать на конце волновода расширение, образующее так называемую рупорную антенну

Ширина диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости, равная 15…25˚, обеспечивается исключительно за счет рупорного расширителя. Таким образом, рупорная часть антенны выполняет две функции: согласование выходного сопротивления щелевых излучателей волновода с волновым сопротивлением свободного пространства и формирование диаграммы направленности в вертикальной плоскости, для обеспечения достоверного обнаружения целей при качке судна.

Щелевая антенна с диэлектрическим формирователем  диаграммы направленности в вертикальной плоскости. В этой антенне волновод со щелями заливается специальным прозрачным для радиоволн диэлектриком, коэффициент преломления которого отличен от коэффициента преломления окружающей среды. Вертикальное сечение диэлектрика имеет определенную форму, которая и обеспечивает необходимую диаграмму направленности.

Антенный блок

В антенном блоке помимо его основной составляющей - антенны с вращающимся переходом размещены  устройства, обеспечивающие вращение антенны и контроль её состояния. Вращение антенны обеспечивается от электродвигателя через низкооборотный редуктор. Питание на электродвигатель  подается автоматически через реле в ИКО одновременно с включением станции в режим «Работа». При необходимости предусмотрена возможность выключения вращения антенны выключателем (Safety Switch), установленном непосредственно в антенном блоке. В нормальном режиме работы РЛС этот выключатель должен находиться в замкнутом состоянии.

 Для просушки всех узлов и элементов, размещенных в антенном блоке, а также подогрева редуктора при низких наружных температурах воздуха предусмотрен подогреватель, включаемый по мере необходимости из ИКО или автоматически через термостат при снижении температуры внутри блока ниже предусмотренной техническими условиями.

 Во многих РЛС для контроля работы приемо-передающего тракта, включая антенну,  предусматривается специальный прибор, называемый эхо-камерой, состоящий из объемного резонатора и дополнительной контрольной антенны, закрепляемой на антенном блоке на кормовых курсовых углах. Во время излучения зондирующего импульса в объемном резонаторе накапливается энергия. После окончания зондирующего импульса, под действием запасенной энергии, в эхо-камере возникают собственные колебания с экспоненциально уменьшающейся амплитудой. Эти колебания передаются на вход приемника, и на экране индикатора появляется отметка, как правило, в виде дуги протяженностью примерно 120˚ и расположенной на курсовом угле 180˚.

. Радиус засветки (дальность звучания эхо-камеры) определяется мощностью передатчика, чувствительностью приемника, согласованностью антенно-волноводного тракта, а также зависит от  расстояния между антенной РЛС и эхо-камерой и от добротности самой эхо-камеры. Последнее обстоятельство обусловлено затуханием колебаний в ней по экспоненциальному закону. Естественно, этот прибор включается только в случае необходимости проверки работоспособности станции. Варианты прибора контроля общей работоспособности РЛС могут быть и другими.

В антенном блоке также размещаются вращающиеся трансформаторы, связанные механически с редуктором, или другие типы угловых датчиков для передачи курсового угла антенны в индикатор и контакты отметки курса собственного судна

В РЛС, где приемопередатчик совмещается в одном корпусе с антенным блоком, модуль приемопередатчика устанавливается в специальном отсеке, обеспечивающем удобный демонтаж модуля при выполнении, например, электромонтажа как антенного блока, так и самого модуля.

 6.3.3. Приемник

Радиоприемные устройства  РЛС предназначены для выделения, преобразования и усиления энергии радиоволн, чтобы обеспечить нормальную работу оконечных устройств РЛС.

Приемники судовых навигационных РЛС должны иметь высокую чувствительность и широкую полосу пропускания для неискаженного приема как сильных, так и слабых импульсных эхосигналов; должны обладать достаточным усилением, чтобы обеспечить хорошую наблюдаемость сигналов на экране ЭЛТ индикатора и надежную работу устройства автоматического сопровождения целей. Для обнаружения расположенных надводных объектов с малой поверхностью отражения (рассеяния) приемник должен обладать малым временем восстановления чувствительности, т. е. усиление приемника должно быстро восстанавливаться до нормальной величины после окончания воздействия на него энергии мощных зондирующих импульсов передатчика. Радиолокационные приемники имеют фиксированную настройку на одну несущую частоту и в процессе работы не перестраиваются, поэтому для устранения возможной расстройки приемника относительно частоты передатчика приемник должен иметь схему автоматической подстройки частоты. Кроме того, в приемнике должна быть предусмотрена временная регулировка усиления (ВРУ) для подавления помех от моря, укорочение видеоимпульсов с помощью дифференцирующей цепочки с малой постоянной времени (МПВ) для подавления помех от атмосферных осадков и др.

Радиолокационные приемники должны обладать высокой помехоустойчивостью; должны быть снабжены автоматической системой регулировки усиления. Параметры приемника должны быть стабильными, т. е. не должны изменяться под действием различных дестабилизирующих факторов. Помимо указанных, приемник должен удовлетворять ряду других требований, которые определяются эксплуатационными особенностями судовых навигационных РЛС (надежность работы, экономичность и пр.).

В отличие от приемников радиосвязи к радиолокационным приемникам не предъявляется высоких требований к избирательности по соседнему каналу; вместе с тем сохраняется требование достаточной избирательности по зеркальному каналу.

Для обеспечения заданной чувствительности, усиления и избирательности радиолокационные приемники импульсных РЛС выполняются, как было указано ранее, по супергетеродинной схеме, с однократным преобразованием частоты. На рис.2.38 представлена типовая структурная схема приемного устройства судовой навигационной РЛС.

Рис. 2.38. Структурная схема приемника судовой РЛС.

 

Как видно из схемы, усиление высокой (сигнальной) частоты в большинстве приемников судовых навигационных РЛС не применяется. Первым (входным) каскадом приемника является преобразователь частоты. Хотя применение усилителей принимаемой (высокой) частоты в общем случае снижает уровень шумов приемника, в том числе подавляет шумы зеркального канала, однако применять усиление высокой частоты в диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн нецелесообразно. Обусловлено это тем, что на этих частотах ухудшаются шумовые характеристики активных СВЧ элементов и сильно снижается их коэффициент усиления.

Входная цепь является элементом, связывающим антенну с входом приемника. Она обеспечивает согласование входа приемника с антенно-волноводным трактом РЛС. Кроме того, входная цепь, являясь резонансной системой, защищает приемник от зеркальных шумов антенны. К входным цепям предъявляются следующие требования: коэффициент шума должен быть минимальным; полоса пропускания должна обеспечить неискаженную передачу сигналов.

В сантиметровом диапазоне волн в качестве входной цепи применяются объемные резонаторы. Эту функцию обычно выполняет камера разрядника защиты приемника (РЗП) антенного переключателя. Преобразователь частоты, состоящий из смесителя и гетеродина, преобразует частоту принимаемых отраженных сигналов в более низкую промежуточную частоту, которая может быть усилена обычным образом. Усилитель промежуточной частоты (УПЧ), имеющий значительное количество, каскадов, обеспечивает необходимое усиление приемника. УПЧ обычно разделяется на предварительный усилитель промежуточной частоты (ПУПЧ) и основной (ОУПЧ) или главный (ГУПЧ).

Как правило, каскады ПУПЧ конструктивно совмещаются с высокочастотным блоком приемника и размещаются непосредственно у входа антенны совместно с входным контуром и преобразователем частоты приемника. Это позволяет уменьшить затухание слабых сигналов в соединительных волноводных линиях и тем самым повысить чувствительность приемника. Каскады основного или главного УПЧ размещаются обычно вместе с другими каскадами приемника в индикаторном устройстве РЛС.

Детекторный каскад приемника преобразует радиоимпульсы промежуточной частоты в видеоимпульсы, которые затем усиливаются видео усилителем и передаются на индикаторное .устройство или в схему аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Кроме рассмотренных элементов, приемник судовой навигационной РЛС содержит: блок автоматической подстройки частоты (АПЧ), схему временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ), цепь малой постоянной времени (МПВ) для подавления помех протяженного характера. Рассмотрим  более подробно принцип работы основных функциональных элементов приемника РЛС.

 

Преобразователь частоты

 

 Преобразование частоты в радиолокационном приемнике производится, как правило, с помощью кристаллических диодных смесителей, размещенных в специальных волноводных секциях, к которым подводятся непрерывные колебания СВЧ от гетеродина и отраженные импульсы из антенны (или ослабленные аттенюатором  импульсы магнетрона в смесителе блока АПЧ). Гетеродин, смеситель приемника и смеситель АПЧ располагаются в одном общем блоке СВЧ, в котором конструктивно размещен и антенный переключатель.

В качестве гетеродинов (маломощных непрерывно работающих генератора СВЧ) в радиолокационных приемниках используют отражательные клистроны или полупроводниковые диоды  Ганна.

Отражательный клистрон представляет собой вакуумный прибор, конструктивно объединенный в одно целое с объемным резонатором. 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 или автоматически от блока АПЧ.

Генератор на диоде Ганна. Диод Ганна представляет собой пластину однородного кристалла арсенида галлия, подключаемую через контакты к внешней цепи. Под действием постоянного напряжения, приложенного к диоду, при малой длине полупроводника в нем создается сильное электрическое поле, способствующее возникновению колебаний СВЧ.

Генератор СВЧ на диоде Ганна — это сочетание диода с объемным резонатором. Частота генератора зависит от длины кристалла, приложенного напряжения, объема резонатора и может изменяться как механическим способом, путем перестройки резонатора, так и электрическим – с помощью варикапа или феррита. Существуют генераторы на диодах Ганна в диапазоне частот 1 ... 40 ГГц. Мощность генерируемых колебаний в непрерывном режиме может быть получена от ста милливатт до единиц ватт.

 В качестве нелинейного элемента исключительное применение имеют полупроводниковые смесительные диоды.

Кристаллический смеситель. Кремниевый  смесительный диод имеет миниатюрные электроды, которые создают малую емкость, несмотря на очень малое расстояние между ними. Работает диод с малым уровнем собственного шума. Вольтамперная характеристика 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, равной 60 МГц, выделяют с помощью колебательного контура, настроенного на эту частоту и включенного в цепь диода. Размещается диод в волноводе таким образом, чтобы его внутренний проводник был расположен вдоль силовых линий электрического поля подводимых к волноводу колебаний.

В судовых навигационных РЛС широкое применение получили балансные схемы преобразователей частоты. Основой такой схемы может являться, например, двойной волноводный тройник (рис. 2.39).

Через разветвление в широкой стенке волновода поступает энергия принимаемых отраженных сигналов. Через разветвление в узкой стенке подаются колебания от гетеродина. В симметричных точках обоих плеч разветвления размещены полупроводниковые диоды Д1, Д2. Выходы диодов присоединяются к дифференциальному настроенному трансформатору Тр промежуточной частоты, являющемуся нагрузкой смесителя. Особенностью двойного волноводного тройника является то, что колебания сигнала, распространяясь в разветвлении, достигают полупроводниковых диодов, расположенных на одинаковом расстоянии от центра разветвления, со сдвигом по фазе, равным 180°, а колебания гетеродина подаются на оба диода в фазе.

Возникающий в результате преобразования ток промежуточной частоты через диод Д1 имеет фазу φ_пр1=<φ_с-φ_г, а через диод Д2 φ_пр2=(φ_с + 180˚-φг=φпр1+180°. Благодаря этому токи промежуточной частоты в контуре будут складываться. Токи шумов гетеродина, проходя через контур во встречном направлении, будут вычитаться. Следовательно, токи шумев гетеродина при надлежащей симметрии плеч схемы не создают напряжения шумов гетеродина на входе УПЧ приемника.

Кроме ослабления шумов гетеродина, балансная схема преобразователя обладает другим важным преимуществом. Применение двойного волноводного тройника типа Е и Н позволяет избежать прямой связи между каналами приема сигналов и гетеродина. Это обеспечивает резкое снижение потерь мощности сигнала в цепях гетеродина, что позволяет увеличивать связь гетеродина со смесителем. Кроме того, отсутствие прямой связи между каналами сигнала и гетеродина значительно ослабляет излучение колебаний гетеродина антенной РЛС.

Кроме двойного волноводного тройника, в схемах балансных смесителей широко применяются щелевые и кольцевые мосты.

 

 

Рис.2.39. Балансный преобразователь частоты

 

Как было указано ранее, элементы преобразователя частоты размещаются в одном общем блоке СВЧ совместно с антенным переключателем. Примером преобразователя частоты на базе щелевого моста является схема блока СВЧ РЛС серии «Наяда» (рис.2.40).

 

                       Рис. 2.40. Схема блока СВЧ РЛС «Наяда»

 

Блок СВЧ-3  состоит из антенного переключателя (Э13, Э14); гетеродина; смесителя УПЧ (См1); смесителя АПЧ (См2); разрядника защиты приемника (Рр1). Колебания СВЧ, вырабатываемые магнетроном, с помощью циркулятора Э14 поступают в антенну. Отраженная от разрядника энергия СВЧ действует на поглотитель вентиля Э13. Принимаемые отраженные сигналы от объектов направляются циркулятором Э14 и вентилем Э13 через разомкнутый разрядник и открытую заслонку ЭМ1 в смеситель УПЧ. Сюда же через, делитель ЭЗ, Э4 и аттенюатор Э5 поступают сигналы гетеродина.

Гетеродин выполнен на генераторном диоде Ганна Д1 типа ЗА703Б с электронной перестройкой частоты. Перестройка обеспечивается варикапом Д2  типа 1А403Д. Для стабильной работы гетеродина используется циркулятор Э2 с нагрузкой Э1. Распределение мощности гетеродина между смесителями обеспечивает тройник Э4. С помощью аттенюаторов Э5, Э6 производится установка режима работы смесителей по сигналам гетеродина.

Смесители выполнены на диодах Д1 и Д2 типа Д405Б и Д405ВП по балансной схеме со щелевыми мостами Э7 и Э8. Связь магнетрона со смесителем АПЧ осуществляется через ответвитель Э15 и аттенюатор Э11. В режиме контроля канал приемника перекрывается электромагнитной заслонкой Эм1. Через аттенюатор Э12 и ответвитель Э10 с поглотителем Э9 в канал приемника подается контрольный сигнал, поступающий на смеситель УПЧ. Блок СВЧ выполнен на базе волновода сечением 23х10 мм.

⇐ Предыдущая13141516171819202122Следующая ⇒

Поделиться: