книги / Сверхвысокие частоты. Основы и применения техники СВЧ

ет; если автомобиль продолжает двигаться далее, то де­ текторный ток становится медленно колеблющимся пе­ ременным током, который всякий раз, когда автомобиль проходит путь длиной в V 2 , завершает полный период

колебаний. Следовательно, число п периодов детектор­ ного тока равняется числу полуволн, пройденных авто­ мобилем, т. е. равно пути автомобиля s, деленному на

Х/2:

(118)

Числом допплеровских периодов можно непрерывно из­ мерять путь s, пройденный автомобилем. Для измере­ ния абсолютного расстояния необходима нулевая отмет­ ка, соответствующая известной дистанции. Частота fD изменений детекторного тока равна числу периодов п, деленному на время t, за которое автомобиль проходит путь s, т. е.

где sft= v есть скорость автомобиля. Если Х = 3,2 см и и= 1 м/сек, то допплеровская частота получается равной

63 гц. При скорости автомобиля 10 км/ч допплеровская частота составляет 174 гц. Эта частота лежит в области слышимого звука. Скорость автомобиля можно изме­ рять, подключив к детектору соответствующий измери­ тель частоты.

4. Формула радиолокации

Так называемая формула радиолокации (или урав­ нение радиолокации) позволяет для того или иного ра­ диолокационного устройства рассчитать принимаемую мощность электромагнитной волны, отраженной от ра­ диолокационной цели, как функцию ряда параметров. Чтобы выяснить их влияние, необходимо сначала рас­ считать плотность S излучения, попадающего в место расположения отражающего тела. Она дается соотноше­ нием

( 120)

где F— рассматриваемая поверхность.

171

Плотность излучения на расстоянии г от излучатели рассчитывается в предположении изотропного (излуча­ ющего равномерно по всем направлениям) сферического излучателя и имеет вид

где Р5— мощность передатчика. Для направленных ан­ тенн с выигрышем GA плотность излучения в направле­ нии главной оси антенны, согласно определению выи­ грыша, больше в GA раз плотности излучения сфери­ ческого излучателя

Мощность, падающая на цель и излучаемая снова, мо­ жет быть описана выражением вида

где Fpr—проекция поверхности отражающего тела. Оче­ видно, что в точке расположения антенны передатчика, находящейся на расстоянии г от цели, плотности мощ­ ности отраженного поля имеет вид

где FWA — эффективная действующая поверхность ан­ тенны. После замены FWA по формуле

наконец, получим выражение для мощности принимае­ мого сигнала

Это и есть формула радиолокации, с помощью которой можно рассчитать принимаемую мощность в зависимо­ сти от различных величин или дальность действия радио-

172

Т а б л и ц а 3

Размеры и радиолокационные сечения некоторых отражателен

локатора по известной чувствительности приемника. Со множитель FprGR, стоящий в скобках, показывает сте­ пень влияния радиолокационной цели на величину при­ нимаемой локатором мощности; он равен произведению коэффициента направленности отражающей поверхности цели на проекцию поверхности. Это произведение

173

называется радиолокационным сечением и является ме­ рой отражающей способности радиолокационной цели. С учетом обозначений (128) уравнение радиолокации можно записать в виде

В табл. 3 сопоставляются формулы расчета радиолока­ ционных сечений для различных отражателей [23].

Для радиолокационных установок, работающих в ре­ жиме импульсной модуляции, в качестве излучаемой мощности Ps в формулу радиолокации подставляют пи­ ковую мощность радиоимпульса, для радиолокаторов непрерывного действия — среднюю мощность излучения.

5. Корреляционный метод

Как следует из формулы радиолокации, дальность действия радиолокатора можно увеличить за счет при­ менения более мощного передатчика, приемного устрой­ ства с более высокой чувствительностью (молекулярный усилитель, параметрический усилитель) и направленных антенн с большим выигрышем. Поскольку, однако, даль­ ность действия РЛС (измеренное расстояние) слабо зависит от этих параметров, входящих в формулу радио­ локации (113) лишь с показателем 1/4, то практически очень скоро приближаются к пределу указанных воз­ можностей. Поэтому в последние годы в радиолокацион­ ную технику ввели так называемый корреляционный метод, который позволяет индицировать сигналы с уров­ нем, лежащим ниже уровня шумов.

Понятием «корреляция» называют более или менее сильную связь, имеющуюся между двумя процессами, или же операцию установления соотношений, связываю­ щих два процесса. В сущности, при упомянутом корре­ ляционном методе дело заключается в том, что для вы­ деления сигнала из помех используется, с одной стороны, периодичность импульсов сигнала и, с другой стороны, статистический характер шумов (хаотических флуктуа­ ций). Методы рассматриваемого типа можно разделить на две группы. При так называемом аддитивном методе, или методе накопления, временная форма сигнала мно­ гократно повторяется в регистрирующем устройстве с

174

накоплением так, чтобы полезный сигнал всегда появ­ лялся в одном месте (например, на экране осциллографической трубки с послесвечением) или выделялся в ре­ зультате суммирования амплитудных значений в течение многих следующих один за другим периодов. Эффект выделения последнего сигнала из помех является резуль­ татом процесса, при котором амплитуды сигнала скла­ дываются линейно, как когерентные функции времени, а иекогерентные шумовые амплитуды, напротив, скла­ дываются квадратично, т. е. берутся их эффективные значения. Благодаря этому получается улучшение отно­ шения «сигнал/шум» (по мощности) при /г-кратном по­

вторении или п-кратиом сложении от Y n Дo n раз. Умножительный корреляционный метод основан на

положении, что средняя величина произведения некогерентных функций времени равна нулю, а для коге­ рентных функций, напротив, имеет конечное значение. Умножительный метод здесь объясняется на примере перекрестного коррелятора (рис. 89). Два простран­ ственно разделенных при­ емника принимают один и тот же сигнал передатчика, имеющий различную напря­ женность поля в местах расположения приемников.

Сигнал сопровождается сильными помехами, отли­

чающимися по своему уровню для каждого приемника. Выходные напряжения обоих приемников поэтому не совсем одинаковы; к тому же приемники более или ме­ нее отличаются один от другого степенью нелинейных искажений сигнала и уровнем собственных шумов. Да­ лее, из-за различного расстояния или различной протя­ женности оптического пути между передатчиком и при­ емниками поступающие на приемник сигналы отличают­ ся по фазе или по времени распространения. Если реги­ стрировать эти сигналы в течение определенного интер­ вала времени и затем сравнить диаграммы полученных таким образом функций времени, то можно установить известное подобие этих кривых. Полученные одновремен­ но результаты измерений, вообще говоря, различаются

175

задержать на эту известную разницу времен, то всюду, где сигнал не искажается добавочными помехами, будет наблюдаться совпадение обеих кривых. В этом случае произведение двух мгновенных значений, независимо от того, положительны они или отрицательны, всегда есть величина положительная, так как она равняется квад­ рату каждого из этих мгновенных значений. Среднее значение суммы этих произведений называют поэтому среднеквадратичным значением временной функции. Оче­ видно, что это среднее значение произведений тем мень­ ше, чем больше разность времен распространения (раз­ ность фаз), так как тогда все чаще положительное мгновенное значение будет умножаться на отрицатель­ ное, т. е. при вычислении среднего будут попадаться не только положительные, но и отрицательные слагаемые, которые частично компенсируют друг друга или взаимно уничтожаются. При достаточно большой разности фаз доля положительных слагаемых равна доле отрицатель­ ных, так что их среднее значение оказывается равным нулю. Отсюда следует, что только сигнальная компо­ нента из смеси сигнала и шумов, поступающих от обоих приемников, имеет при соответствующей компенсации существующего запаздывания отличное от нуля среднее значение, тогда как доля шумов, имеющих некогерент­ ную природу, для любых времен задержки дает среднее значение произведения, равное нулю. Поэтому измерен­ ные величины (сигналы), снимаемые с выхода прием­ ников, называют коррелирующими, если они приходят от одного передатчика. Напряжение помех (шумы), так же как сигнал и шумы каждого приемника, не является коррелирующей величиной.

Следовательно, проблема увеличения отношения «сигнал/шум» с помощью корреляции связана с тем, что улучшение этого отношения достигается за счет потерь во времени. Поэтому возможности корреляцион­ ных методов остаются ограниченными для тех измере­ ний, при которых существенную роль играет время, имеющееся в распоряжении оператора и которое (как, например, в радиолокации) оказывается слишком ма­ лым, чтобы применять эти методы. Помимо сказанного выше, корреляционный анализ играет также существен­

176

ную роль в технике связи, например, при передаче радиосигналов на очень большие расстояния (космиче­ ская связь) или в радиоастрономии, при наблюдении слабых сигналов, излучаемых космическими объектами.

6 . Радиолокационный ответчик

В то время как в случае обсуждавшейся до сих пор пассивной радиолокации принимаемый сигнал образо­ вывался за счет отражения посылаемого сигнала от цели, в активной радиолокации используется устанавли­ ваемый на наблюдаемом объекте дополнительный прие- мо-передатчик (ретранслятор или радиолокационный ответчик). Приходящий туда радиосигнал действует как сигнал «запросчика», автоматически включает генератор ответчика, расположенного на цели, при этом излучается ответный сигнал, который может быть той же частоты, что и команда, или любой другой частоты. Время про­ хождения сигнала от запросчика к ретранслятору и обратно, к радиолокационному приемнику, также яв­ ляется мерой расстояния до цели. При этом должно, ко­ нечно, приниматься во внимание время задержки сигна­ ла в ретрансляторе. Преимущество активной радиоло­ кации заключается, с одной стороны, в том, что мощ­ ность радиолокационной станции, требуемая для запро­ са, значительно меньше, чем у пассивной радиолока­ ционной системы, так как в месте расположения цели сигнал вырабатывается заново. С другой стороны, имеется возможность осуществлять опознавание цели по ответному сигналу. На этом принципе в авиации прово­ дилось опознавание «свой—чужой» во время второй ми­ ровой войны и позднее, в течение ряда лет, в граждан­ ской авиации. Действие такой активной системы в основ­ ном состоит в том, что преобразователь-ретранслятор, установленный на борту самолета, излучает закодированый сигнал в ответ на специальный сигнал-запрос на­ земной РЛС. Наземная станция может работать на раз­ личных видах запроса. Ответ дается в форме определен­ ной комбинации импульсов, которая называется кодом. И когда наземная станция перестает «чувствовать» очень слабый сигнал, отраженный от самолета (теряет цель по отражению), но продолжает принимать очень сильное излучение ответчика, то в этом случае цель можно

VII

РАДИОАСТРОНОМИЯ

Радиоастрономия является одной из увлекательней^ ших областей применения сверхвысоких частот. Ее за­ дачей является обнаружение и исследование космиче­ ского электромагнитного излучения в области метровых, дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн, излучаемых Солнцем, планетами, так называемыми радиозвездами и радиотуманностями. Хотя начало свое радиоастрономия берет еще в 1931—1932 гг., она стала интенсивно развиваться лишь после окончания второй мировой войны. Толчком для ее нового развития послу­ жили достижения в технике сверхвысоких частот, кото­ рые дали возможность впервые провести точные изме­ рения и исследования космического радиоизлучения. Почти во всех странах мира в течение последних лет появляются обсерватории, которые занимаются реше­ нием различных задач радиоастрономии. В настоящее время в радиоастрономии выделяются следующие обла­ сти исследований:

1) наблюдение и изучение солнечного радиочастот­

ного излучения; 2 ) измерение радиоизлучения галактик;

3 ) исследование излучения дискретных радиоисточ­

ников (точечных источников или радиозвезд); 4 ) наблюдение радиочастотного излучения внегалак­

тических звездных туманностей;

В этой главе рассматриваются важнейшие резуль­ таты и методы радиоастрономии.

1 . Радиотелескопы

а) Угловое разрешение

Для приема и для определения направленности излу­ чения космического радиоисточника служит так назы­ ваемый радиотелескоп. Он является в некотором смысле

аналогом оптического телескопа визуальной астрономии. Основными составными частями радиотелескопа яв­ ляются направленная антенна и приемник, или измери­ тель мощности. В качестве направленной антенны при­ меняются параболические антенны, которые могут вра­ щаться в двух направлениях. Таким образом, эту антен­ ну можно нацелить в любую точку небесной сферы.

В большинстве случаев при строительстве антенн радиотелескопов ограничиваются вертикальной и гори­ зонтальной осями вращения. При этом для устранения влияния суточного параллакса стремятся там, где это возможно, установить антенну так, чтобы одна из осей была параллельна земной оси. При вращении антенны вокруг этой оси с угловой скоростью Земли радиотеле­ скоп всегда остается направленным на тот космический источник радиоизлучения, на который он был однажды нацелен.

Основными характеристиками радиотелескопа яв­ ляются угловая разрешающая способность и чувстви­ тельность. Под угловым разрешением понимают способ­ ность радиотелескопа «видеть» два близких радиоисточ­ ника на небесной сфере как два отдельных источника. Угловая разрешающая способность параболической ан­

тенны со средним диаметром зеркала D « ]Л4*), опре­ деляемая как угловое расстояние между главным макси­ мумом и первым дифракционным минимумом диаграм­ мы направленности, приближенно равняется

где D — диаметр зеркала. Вместо углового разрешения пользуются также понятием ширины диаграммы направ­ ленности (по половинному уровню), т. е. расстоянием между двумя противолежащими точками диаграммы направленности антенны, в которых чувствительность вдвое меньше максимальной. Для параболической ан­ тенны ширина диаграммы направленности рассчиты­ вается по формулам:

*) А есть действующая эффективная поверхность антенны

(Прим, перев.).

180