Текст книги "Посвящение в радиоэлектронику"

Автор книги: Владимир Поляков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 19 (всего у книги 26 страниц)

Станции РУС-2 непрерывно совершенствовались. Уже в конце 1941 года была решена проблема защиты приемника от мощных импульсов собственного передатчика и станция стала выпускаться в одноантенном варианте. По сравнению с аналогичными станциями, разработанными в США, Великобритании и Германии, наша станция весила почти в три раза меньше и в шесть раз быстрее разворачивалась из походного состояния в рабочее.

В течение всей войны велась очень интенсивная работа по увеличению дальности действия и точности определения координат с помощью РЛС. Станция РУС-2 и подобные не могли обеспечить высокую точность определения координат, поскольку работали на достаточно длинных волнах (4 м) и имели широкую диаграмму направленности антенн. Для ее сужения необходимо было перейти на более короткие волны, ведь угловая ширина φ главного лепестка диаграммы направленности определяется отношением длины волны к размеру антенны: φ = λ/D. И сверхвысокочастотная техника быстро развивалась: разрабатывались магнетронные генераторы, волноводная техника, более совершенные и чувствительные супергетеродинные приемники. Во время войны появились станции орудийной наводки (СОН) с параболическими зеркальными антеннами. А в конце 1942 года РЛС удалось поставить на двухместный самолет Пе-2. Впоследствии эти станции назывались ПНБ (прицел наведения бомбардировщика).

Как развивалась радиолокация у наших союзников? Англичане к 1941 году не только имели сеть РЛС вдоль юго-восточного побережья, но и устанавливали радиолокаторы на кораблях. 27 мая 1941 года после семидневной «охоты» англичане потопили лучший корабль германского флота линкор «Бисмарк» водоизмещением 35000 тонн. В преследовании линкора принимали участие авианосец, несколько линейных кораблей, крейсеров и эскадренных миноносцев. Наведение английской эскадры осуществлялось по данным РЛС.

Нет никакого сомнения, что, не будь у англичан радара, немецкому линкору удалось бы скрыться в условиях плохой погоды и бурного моря. Потопление «Бисмарка» нс обошлось для Англии без потерь. Погиб самый крупный и быстроходный в эскадре линейный крейсер «Худ». Он раскололся надвое после пятого залпа орудий главного калибра «Бисмарка», серьезное повреждение получил крейсер «Принц Уэльский».

Любопытно, насколько усовершенствовалась морская радиолокация за последующие два года. 26 декабря 1943 года другой немецкий линкор «Шарнхорст» дерзко напал в Баренцевом море на конвой судов, следовавших в Советский Союз. Несколько юго-западнее конвоя находилась эскадра главнокомандующего английским флотом адмирала Фрэзера. Он заранее вышел на перехват, получив сведения разведки, что «Шарнхорст» покинул свою базу в Альтен-фьорде в Норвегии. РЛС крейсера сопровождения «Белфаст» обнаружила фашистского пирата на расстоянии 17,5 миль, что дало возможность конвою судов приготовиться к отражению нападения. Завязался бой. Исход его решила подоспевшая эскадра адмирала Фрэзера.

Вот как описывает это М. М. Лобанов в книге «Из прошлого радиолокации»: «В полной темноте флагманский линкор Фрэзера «Герцог Йоркский» с помощью РЛС обнаружил «Шарнхорст» на дистанции около 23 миль. Приблизившись до 6 миль, он открыл по нему артиллерийский огонь. В условиях полярной ночи стрельба велась по данным РЛС. Затем английские эсминцы и крейсера атаковали и торпедировали «Шарнхорст». Торпедирование корабля было для него смертельно, и около 21 часа 30 минут он затонул. Из всего экипажа было спасено только несколько человек».

Итак, в 1943 году РЛС позволяли уже вести прицельный артиллерийский огонь. А к концу войны точность радаров возросла настолько, что были случаи радиолокационного обнаружения перископов подводных лодок.

Интенсивное развитие радиолокационной техники в Соединенных Штатах Америки началось с трагедии. В 1941 году американский флот на Тихом океане базировался в Перл Харборе (Жемчужная Гавань). Это военно-морская база, расположенная вблизи Гонолулу, на острове Оаху, входящем в архипелаг Гавайских островов, благодаря военной мощи и числу боевых кораблей считалась неприступной твердыней. Соединенные Штаты Америки пока еще не вступили во вторую мировую войну.

В глубокой тайне, прикрываясь лицемерными улыбками и лживыми дипломатическими переговорами, японские милитаристы разрабатывали план операции, позволявшей им одним ударом покончить с американским флотом и добиться господства на Тихом океане. В потаенную гавань на острове Итуруп (Курильские острова) стягивалась эскадра. Командующий японским флотом И. Ямамого строжайше запретил всякие радиопереговоры в эфире. Более того, радиопередачи каждого ушедшего из Японии корабля имитировались береговыми радиостанциями, чтобы ни один радист ничего не заподозрил. В ночь на 26 ноября 1941 года адмирал Нагумо вывел эскадру, держась далеко от обычных судоходных путей. Ночью 7 декабря она оказалась к северу or Гавайских островов. В состав эскадры входило шесть авианосцев с 360 самолетами, два линкора, три крейсера, девять эсминцев и шесть подводных лодок. Гавайские острова были наводнены японскими шпионами, дислокация американских кораблей и система обороны военно-морской базы были хорошо известны. Этой роковой ночью Нагумо получил последние донесения: никаких следов тревоги у американцев не наблюдалось. Радиостанция Гонолулу с утра передавала веселую музыку и послужила отличным приводным радиомаяком для японских самолетов. На рассвете 7 декабря 1941 года с палуб японских авианосцев поднялись 360 бомбардировщиков с полным запасом бомб и двумя группами легли на курс к острову Оаху.

На острове имелась единственная РЛС дальнего обнаружения SCR-270, развернутая на северном побережье. Удивительна беспечность американцев! Станция работала не круглосуточно, а включалась лишь с четырех до семи часов. Более того, техника была совершенно новой и ее никто не принимал всерьез. Надо сказать, что и в советских частях ПВО некоторые на первых порах к данным РЛС относились с недоверием, но, убедившись на деле в их полезности, очень быстро изменили свое мнение. Американцы переменили его за одно утро…

В 7 часов утра РЛС на острове Оаху не выключили просто потому, что еще не пришла машина за дежурными сержантом и солдатом. В 7 часов 02 минуты на экране радара появилась отметка цели, находящейся на расстоянии около 140 миль. По характеру отражения можно было заключить, что обнаружена группа самолетов. Дальнейшее трудно объяснить с позиций здравого смысла. Операторы некоторое время раздумывали, а надо ли им вообще докладывать об обнаруженной цели, ведь их дежурство уже закончилось. Потом все-таки позвонили в информационный центр. Дежурный офицер посоветовал: «Не обращайте внимания, это свои!». В то утро действительно ждали 12 бомбардировщиков Б-17 из Сан-Франциско. Они вылетели накануне, демонтировав часть вооружения и установив дополнительные топливные баки.

В 7 часов 55 минут над Перл-Харбором появились японские самолеты. Хотя обнаружены они были почти за час до этого, никаких мер принято не было. Как на учениях, при ясном небе и отличной видимости, японцы сбрасывали бомбы и торпеды на неподвижно стоящие корабли. Американские истребители взлететь уже не могли – взлетные полосы были разрушены. Корабли взрывались и тонули тут же, в гавани. Море огня и дыма, полная сумятица и полная неразбериха. Прилетевшие Б-17 только усилили хаос. Зенитчики не знали, в кого стрелять, а пилоты – куда садиться. Многие из прилетевших самолетов погибли при посадке или были сбиты японцами. Налет продолжался около двух часов. Отдельные проявления мужества и героизма опомнившихся американских летчиков, моряков и зенитчиков уже ничего не могли изменить. Военно-морские силы США потеряли четыре линкора, крейсер, три эсминца. Еще больше кораблей было повреждено. 260 уничтоженных самолетов, 5000 убитых и раненых – таков результат самонадеянности и халатности. Японцы потеряли 29 самолетов и 55 летчиков.

В тот же день президент США Ф. Рузвельт, выступая перед конгрессом, потребовал объявления войны Японии.

Промышленность США и Канады очень быстро наладила выпуск радиолокационных станций. Часть их по ленд-лизу поставлялась в СССР. Необходимость освоения все более коротких волн стимулировала и теоретические разработки. Это были годы рождения электродинамики сверхвысоких частот и волноводной техники.

Отгремела война, и перед радиолокационной техникой открылись новые сферы применения во многих отраслях народного хозяйства. Без радаров теперь немыслимы авиация и судовождение. Радиолокационные станции исследуют планеты Солнечной системы и поверхность нашей Земли, определяют параметры орбит спутников и обнаруживают скопления грозовых облаков. Техника радиолокации за последние годы неузнаваемо изменилась.

Радиолокационная техника

Рассмотрим структурные схемы простейших радиолокаторов. Доплеровская PЛC непрерывного излучения самая простая из всех. Именно такими и были первые «радиоуловители» самолетов. Она содержит генератор высокочастотных колебаний (ГВЧ), передающую А_пер и приемную А_пр антенны, смеситель и усилитель низкой частоты биений (УНЧ). На его выходе включаются либо наушники, либо частотомер. Доплеровская РЛС не обнаруживает неподвижные предметы. Сигнал, отраженный от них, имеет ту же самую частоту, что и излучаемый. Но если обнаруживаемый объект движется в направлении локатора или от него, частота отраженного сигнала изменяется вследствие эффекта Доплера.

Структурная схема доплеровской РЛС непрерывного излучения.

С этим эффектом вы наверняка неоднократно встречались. Если на лодке в ветреную погоду двигаться навстречу волне, то удары волн о лодку становятся чаще. Если же вы меняете курс и уходите под ветер, то лодка как бы убегает от волны и удары волн становятся реже. В этих опытах в зависимости от направления движения и скорости лодки изменяется частота воспринимаемых нами колебаний водной поверхности – волн. Тот же эффект наблюдается и со звуковыми волнами. Тон гудка мчащегося на вас поезда кажется более высоким, а удаляющегося – более низким. При радиолокации эффект Доплера проявляется вдвое сильнее. Самолет, летящий навстречу излучаемой локатором волне, встречает более частые колебания электромагнитного поля. Переизлучая их во время движения, он еще повышает их частоту. При удалении же самолета от локатора частота отраженного сигнала понижается. В приемную антенну попадают два сигнала: прямою прохождения, просочившийся между антеннами, и отраженный от цели. В смесителе они взаимодействуют, образуя разностную частоту биений, в точности равную доплеровской f_л = f_o·(2v/c), f_o – частота излучаемого сигнала; с – радиальная скорость цели; v – скорость радиоволн, равная скорости света.

Оценим, например, какова доплеровская частота для автомашины, скорость которой определяется инспектором ГАИ с помощью только что описанного устройства. Частота f_o в этих локаторах лежит в диапазоне 10 ГГц, что соответствует длине волны 3 см, а скорость автомашины положим равной 30 м/с. Попутно заметим, что здесь имеет место явное нарушение правил движения, поскольку максимальная скорость на автодорогах установлена равной 90 км/ч, а 30 м/с соответствует 108 км/ч:

В этом случае на выходе локатора получается хорошо слышимый тон звуковой частоты. С помощью частотомера, установленного на выходе усилителя биений, можно достаточно точно определять радиальную скорость цели. Доплеровский метод измерения скорости используют и в самых современных радарах. Частотомер в этом случае вырабатывает цифровой код, который с помощью формирователя буквенно-цифровой информации выводится на основной экран РЛС. Рядом с отметкой цели оператор РЛС видит и цифру, соответствующую се скорости, выраженной в узлах, километрах в час или метрах в секунду.

Определить дальность доплеровским локатором нельзя, но если частоту излучаемых колебаний изменять в некоторых пределах, т. е. ввести в генератор частотную модуляцию, то появляется возможность измерить дальность. Именно так и случилось в первом опыте Б. К. Шембеля при локации Крымских гор. Пусть частота передатчика изменяется по пилообразному закону. Частота отраженного сигнала также будет изменяться, но с запаздыванием на время τ распространения волн до цели и обратно. Если частота передатчика в какой-то момент t₁, равна f₁, то отраженный сигнал возвращается с этой же частотой. Но частота передатчика к времени t₁ + τ успеет измениться до значения f₁ + Δf, и в приемнике выделится сигнал биений с частотой Δf. Она тем выше, чем больше расстояние до цели.

Закон изменения частоты сигналов в ЧМ локаторе.

Частотно-модулированные локаторы создавались неоднократно для работы с одиночными целями. Например, на самолетах Гражданской авиации многие годы применялся радиовысотомер РВ-2, построенный именно на этом принципе. Частотно-модулированные локаторы разрабатывались и для выполнения операции стыковки космических кораблей на орбите, причем они обеспечивали очень хорошую точность определения дистанции.

Наибольшее распространение получил импульсный способ определения дальности. На рисунке показана структурная схема импульсного локатора.

Структурная схема импульсной РЛС.

Его работой управляет генератор импульсов (ГИ), следующих с относительно невысокой частотой повторения порядка сотен импульсов в секунду. Мощные импульсы подаются на генератор высокой частоты (ГВЧ), вырабатывающий очень мощные короткие импульсы высокочастотных (ВЧ) колебаний. Например, если мощность ВЧ колебаний составляет 100 кВт, а длительность импульса 1 мкс, при частоте повторения 100 Гц средняя мощность ГВЧ составит всего 10 Вт, т. е. меньше, чем мощность обычной настольной лампы. Поэтому даже мощный импульсный генератор оказывается достаточно компактным и не перегревается при длительной работе. Через антенный переключатель (AП) ВЧ импульс поступает в антенну и излучается. После излучения импульса антенна подключается ко входу приемника (Пр). Разумеется, механический переключатель антенны непригоден: он не может обладать необходимым быстродействием. В первых одноантенных импульсных РЛС использовались газовые разрядники, по конструкции напоминавшие неоновую лампу, только они были рассчитаны на более высокую мощность. Установленный на входе приемника разрядник вспыхивал под действием мощного излучаемого импульса и замыкал вход приемника, «спасая» его от излишней ВЧ энергии. После излучения импульса разрядник погасал и не мешал отраженным сигналам поступать в приемник. В современных РЛС кроме газовых разрядников используют и полупроводниковые переключатели, выполненные на диодах.

Одновременно с излучением импульса запускается генератор развертки (ГР), вырабатывающий линейно нарастающее пилообразное напряжение. Оно поступает на пластины горизонтального отклонения электронно-лучевой трубки, экран которой и является широко известным по фильмам и книгам экраном РЛС. В результате луч перемещается слева направо, формируя линию развертки. Усиленный и продетектированный сигнал с выхода приемника подается на пластины вертикального отклонения. Что же мы видим на экране? Прежде всего в самом начале линии развертки появится мощный импульс, все-таки «просочившийся» в приемник через разрядники антенного переключателя. Он будет служить началом шкалы дальности. Спустя некоторое время, нужное для распространения волн, придут сигналы от целей. Луч к этому времени переместится правее. Чем дальше цель, тем дальше от начала развертки окажутся отраженные импульсы. А их амплитуда будет соответствовать интенсивности отраженного сигнала. По ней в какой-то мере можно судить о величине цели.

Определять дальность на экране импульсного локатора очень просто: под линией развертки можно расположить бумажную шкалу. В первых РЛС так и делали. Но, поскольку такой способ уж очень несерьезен, в схему локатора ввели масштабные генераторы меток. Шкалу дальности стал рисовать электронный луч параллельно со своим основным назначением индикацией целей. Генератор развертки совершенствовался, например достигнут возможность «растянуть» по горизонтали любое место линии развертки, чтобы подробнее рассмотреть отраженные сигналы в заданном интервале дальностей. Всех усовершенствований и не перечислить, о них написаны целые тома учебников и руководств по радиолокационной технике.

У описанного индикатора (он получил название «индикатор типа А») есть существенный недостаток: он дает только дальность, а направление на цель надо определять по шкалам поворотного устройства антенны. Поэтому очень скоро предложили другой индикатор (типа В), используемый в РЛС кругового обзора.

Индикатор кругового обзора.

Из самого названия ясно, что антенна этой станции вращается вокруг вертикальной оси, «просматривая» все азимутальные направления от 0 до 360°. Структурная схема РЛС и порядок работы остаются прежними, но индикатор кругового обзора (ИКО) выполнен совсем по-другому. Пилообразное напряжение развертки подается на специальный кольцевой отклоняющий электрод, и линия развертки проходит по радиусу – от центра к краю экрана. Она поворачивается синхронно с антенной. Для поворота линии развертки на обычные отклоняющие пластины X и Y подают синусоидальные переменные напряжения в квадратуре, т. е. на одну пару пластин – косинусоидальное напряжение, а на другую – синусоидальное. Частоты этих напряжений равны частоте вращения антенны и составляют доли герца. Луч при этом описывал бы круги на экране, но, поскольку имеется еще напряжение радиальной развертки на кольцевом электроде, изменяющееся значительно быстрее с частотой повторения излучаемых импульсов, луч чертит линию развертки, вращающуюся вместе с вращением антенны.

Сигнал с выхода приемника подастся на управляющий электрод (сетку) ЭЛТ и заставляет луч увеличивать яркость при наличии отраженных импульсов. Таким образом, на экране ИКО луч «рисует» радиолокационную карту местности. Место расположения самой РЛС соответствует центру экрана. Локатор кругового обзора очень хорошо подходит для морской навигации, дальнего обнаружения воздушных целей, диспетчерского контроля в Аэропортах.

Теперь все чаще переходят к секторному обзору, при котором антенна «осматривает» не весь горизонт, а только нужную его часть. Большие наземные РЛС снабжают индикаторами нескольких типов: кругового обзора для обнаружения целей и контроля обстановки, типа А для точного определения дальности и т. д. Если, например, диаграмма направленности антенны может «качаться» еще и по углу места (для этого обычно не наклоняют всю антенну, достаточно «качать» ее облучатель), то применяют в дополнение к ИКО индикатор «дальность-высота». В нем луч развертывается по радиусу и «качается» в некотором секторе синхронно с антенной, а координаты выбраны прямоугольными. Такой индикатор наглядно покажет и высоту цели.

Необходимо сказать несколько слов о конструкции отдельных элементов разработанных радиолокационных станций. Мощный генератор высокой частоты для локаторов, работающих в диапазоне метровых волн, выполняется на электронных лампах, как правило триодах. Но колебательный контур, состоящий из катушки и конденсатора, уже не пригоден, поскольку катушка для частот в десятки и сотни магагерц должна быть маленькой, а это несовместимо с высокой мощностью колебаний. Поэтому катушка вырождается в отрезок двухпроводной линии, выполненной из толстых медных трубок. Линия настраивается передвижным короткозамыкающим мостиком. Симметричная линия лучше всего совмещается с двухтактным генератором, схема которого и показана на рисунке.

Триодный ВЧ генератор.

Конденсатора в контуре нет – его роль выполняют междуэлектродные емкости ламп. Через них осуществляется и обратная связь. Часть переменного анодного напряжения через емкость анод-катод возбуждает другой контур – линию, включенную между катодами ламп. Ее настройкой подбирают нужную для возбуждения колебаний фазу напряжения обратной связи. Сетки ламп заземляют по высокой частоте. Отбор мощности ВЧ колебаний осуществляют петлей связи, расположенной вблизи анодной линии. Напряжение анодного питания подают на короткозамыкающий мостик этой линии через ВЧ дроссель (катушку индуктивности), изолирующий источник питания от ВЧ колебаний.

Генератор будет работать в импульсном режиме, если его питать не постоянным анодным напряжением, а мощными высоковольтными импульсами. Они генерируются в устройстве с тиратроном – газоразрядной лампой, поджигаемой управляющим импульсом. Пока тиратрон погашен, накопительный конденсатор С заряжается через дроссель с большой индуктивностью L от высоковольтного источника. Ток заряда невелик, а время заряда может достичь периода повторения импульсов. Короткий запускающий импульс поджигает тиратрон, и генератор ВЧ оказывается подключенным к накопительному конденсатору, заряженному до высокого потенциала (десятки киловольт). Генерируется очень короткий радиоимпульс, причем анодный ток ВЧ генератора может достичь десятков ампер. Заряд конденсатора расходуется в течение нескольких микросекунд или даже долей микросекунды, генерация прекращается, и тиратрон гаснет. Конденсатор С снова начинает медленно заряжаться через дроссель L. Если бы ВЧ генератор заставили работать при такой мощности несколько дольше, то электроды лампы неминуемо расплавились бы, выгорели или испарились. Только благодаря краткости импульсов ничего этого не происходит, а средняя мощность генератора оказывается для него невысокой и вполне безопасной.

Импульсный генератор.

Импульсный модулятор с накопительным конденсатором имеет один существенный недостаток. По мере расходования заряда конденсатора при генерировании радиоимпульса напряжение на нем быстро падает, а с ним и мощность высокочастотных колебаний. В результате генерируется остроконечный радиоимпульс с пологим спадом. Гораздо выгоднее работать с прямоугольными импульсами, мощность которых в течение их длительности остается примерно постоянной. Прямоугольные импульсы будут генерироваться описанным генератором, если накопительный конденсатор заменить искусственной длинной линией, разомкнутой на свободном конце: например, может использоваться отрезок коаксиального кабеля. Волновое сопротивление линии должно равняться сопротивлению генератора ВЧ колебаний со стороны зажимов питания, т. е. отношению его анодного напряжения к анодному току. В момент поджигания тиратрона вдоль длинной линии побежит волна напряжения, разряжающая линию. Процесс закончится, когда волна напряжения, отразившись от разомкнутого конца линии, вернется к аноду тиратрона. Линия будет разряжена полностью, и тиратрон погаснет. Таким образом, длительность импульса определяется длиной линии и равна отношению удвоенной длины линии к скорости распространения волн в ней. Генераторы модулирующих импульсов с искусственными длинными линиями получили самое широкое распространение в радиолокационной технике.

Для перехода к дециметровым, а потом и к сантиметровым волнам ВЧ генератор с двухпроводными линиями оказался непригодным. Ведь длина линии составляет менее четверти длины волны, так какой же она должна быть на волне, скажем, 3 см? Кроме того, время пролета электронов в лампе оказывается больше периода колебаний, что полностью нарушает работоспособность триода. И здесь нашли выход. Длинные линии-контуры заменили объемными резонаторами. Что же это такое? Поясним на примере. Возьмем ВЧ контур, содержащий индуктивность в виде катушки всего из одного витка и небольшой конденсатор. Будем стараться повысить его резонансную частоту, не уменьшая размеров. Но как, разве это можно? Можно. Подключим вторую такую же катушку – виток параллельно первой. Общая индуктивность уменьшится, а частота возрастет. Подключим третью, четвертую и т. д., пока витки не образуют сплошную стенку вокруг конденсатора. Получился тороидальный объемный резонатор. Раздвинем пластины, чтобы уменьшить емкость и еще повысить частоту. Образовался цилиндрический объемный резонатор. Его размеры составляют от нескольких длин волн до половины длины волны, соответствующей резонансной частоте. Энергия подводится к объемному резонатору и выводится из него с помощью штыря, петли или отверстия связи.

От колебательного контура к тороидальному объемному резонатору.

Цилиндрический и прямоугольный резонаторы.

Объемный резонатор не обязательно должен быть цилиндрическим, он может быть и прямоугольным. Если длину прямоугольного резонатора увеличивать до бесконечности, мы получим волновод – полую металлическую трубу прямоугольного сечения, в которой может распространяться высокочастотная энергия. На сантиметровых волнах двухпроводные фидерные линии сильно излучают, а коаксиальные вносят большие потери. Поэтому передача колебаний к антенне осуществляется только с помощью волноводов.

В волноводах и объемных резонаторах уже трудно говорить о токах или напряжениях. Там существуют электрическое Е и магнитное Н поля, т. е. те же поля, что в электромагнитной волне, распространяющейся в свободном пространстве. Таким образом, в волноводе (в соответствии с его названием) распространяется уже хорошо нам знакомая электромагнитная волна. На рисунке стрелками показаны направления электрического (сплошные линии) и магнитного (штриховые линии) полей.

Волновод.

Энергию волны из волновода в открытое пространство простым и естественным образом можно передать с помощью рупорной антенны. Хорошая рупорная антенна должна быть длинной, поскольку любые неоднородности в волноводе приводят к отражению распространяющейся энергии. Переход от волновода к рупору как-раз и является такой неоднородностью, поэтому он должен быть достаточно плавным. Есть и еще одно соображение в пользу длинных рупоров. Чтобы правильно сформировалась диаграмма направленности, поле в раскрыве антенны должно быть синфазным. Это значит, что колебания поля электромагнитной волны в различных точках раскрыва должны происходить одновременно. Но при распространении от рупора и вдоль его грани волна проходит разный путь и колебания на краях раскрыва запаздывают относительно колебаний в центре. Если разница путей достигнет четверти, или даже половины длины волны, рупорная антенна окажется неэффективной. Для уменьшения указанной разницы путей, рупорные антенны делают длинными.

Рупорная антенна.

Это не совсем удобно, поэтому в радиолокации предпочитают зеркальные антенны, а рупор используют в качестве облучателя зеркала. Ход волн-лучей в антенне с параболическим зеркалом ясен из рисунка. Чем больше размеры антенны, тем уже ее диаграмма направленности. Угловая ширина диаграммы направленности φ связана с размером антенны уже знакомой нам формулой φ = λ/D, где угол φ выражается в радианах. Например, круглое зеркало диаметром 3 м при длине волны 3 см создает игольчатую диаграмму направленности с шириной лепестка всего 0,01 рад, или 0,57°.

–

Параболические антенны.

Диаграмма игольчатого типа нужна далеко не всегда. Например, для корабельной РЛС важно определить пеленг объекта (другого корабля), а его высоту определять не нужно. В этом случае целесообразно выбрать диаграмму направленности «ножевого» типа – узкую в горизонтальной плоскости и широкую в вертикальной.

Диаграмму «ножевого» типа создает антенна с прямоугольным раскрывом, широким в горизонтальной плоскости и узким – в вертикальной. Подобные же антенны используют и в самолетных РЛС кругового обзора. Более того, чтобы скомпенсировать естественное ослабление сигналов, приходящих с больших дальностей, используют косекансную диаграмму, показанную на рисунке. Она формируется благодаря специальной форме зеркала. Только не подумайте, что зеркала антенн радиолокаторов действительно имеют зеркальную поверхность. Этого совсем нс требуется. Любая поверхность будет зеркальной для длин волн, намного больших, чем размер неоднородностей поверхности. Обычно считают, что размер неоднородностей не должен превосходить 1/8 длины волны, т. е. λ/8. Для обычного оптического зеркала, отражающего световые волны с длиной 0,5 мкм, размер шероховатостей не должен превышать сотых долей микрометра. А зеркало локатора, работающего на длине волны 10 см, можно выполнить даже из металлической сетки с размером ячеек около 1 см. Так обычно и делают, чтобы уменьшить массу зеркала и ветровую нагрузку.

Косекансная диаграмма направленности самолетной РЛС с ИКО

Но вернемся к генераторам. В годы второй мировой войны были разработаны конструкции принципиально новых генераторов сантиметровых волн – клистронов и магнетронов. В клистроне электронный луч формируется подобно тому, как это делается в ЭЛТ. Луч проходит последовательно через два объемных резонатора, настроенных на одну и ту же частоту. Если к первому резонатору подвести СВЧ колебания, луч окажется промодулированным по скорости. Электроны, пролетевшие резонатор за один полупериод колебаний, ускоряются, поскольку электрическое поле «подталкивает» их, а электроны, пролетевшие за второй полупериод, замедляются, так как их тормозит электрическое поле, и их скорость уменьшится. По пути ко второму резонатору электроны сгруппируются в «пакеты», поскольку «быстрые» электроны догонят «медленные». На еще большем расстоянии пакеты электронов снова рассеются, но для нас это уже неважно. Там, где электроны сгруппировались, стоит второй резонатор и возбуждается пакетами электронов или волнами их пространственного заряда. Энергия колебаний, отдаваемая электронами во второй резонатор, оказывается намного больше энергии, затраченной на модуляцию электронного луча. Так действует клистрон-усилитель. В генератор его превратить несложно, достаточно часть энергии из второго резонатора направить обратно, в первый.

Еще оригинальнее решена проблема генерации в отражательном клистроне. Он содержит только один резонатор. Пролетевшие сквозь резонатор электроны возвращаются обратно специальным электродом-отражателем, на который подан отрицательный потенциал – U_отр. Сгруппированные пакеты снова пролетают сквозь резонатор, отдавая запасенную энергию. Отражательные клистроны долгие годы служили гетеродинами в радиолокационных приемниках.

Клистрон-усилитель и отражательный клистрон.

Большую колебательную мощность отдает магнетрон – многорезонаторное электронное устройство. Он содержит мощный катод в виде трубки и еще более мощный анодный блок, выполненный из меди, с профрезерованными в нем резонаторами. Каждый резонатор открывается в сторону катода щелью. Вся конструкция помещается между полюсами мощного электромагнита так, чтобы магнитное поле было направлено по оси катода. На анод подается высокое положительное напряжение. Вылетевшие из катода электроны устремляются к аноду, но не тут-то было! В магнитном поле на электрон действует сила Лоренца, пропорциональная его скорости. В результате траектория электрона искривляется и превращается в циклоиду. «Рой» электронов мчится вокруг катода под воздействием двух полей – электрического поля анода и магнитного поля электромагнита. В своем движении электронный поток проходит мимо щелей резонаторов и модулируется ими по скорости. Сформировавшись в «пакеты», поток отдает энергию резонатору, и вся система начинает генерировать СВЧ колебания. Все резонаторы сильно связаны между собой электронным потоком, поэтому отбор энергии производится только из одного резонатора. Магнетроны дали возможность генерировать очень большие импульсные мощности на сантиметровых волнах, благодаря чему резко повысилась дальность действия и точность РЛС.