книги / Сверхвысокие частоты. Основы и применения техники СВЧ

странения 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

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»

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

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

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

159