Текст книги "Посвящение в радиоэлектронику"

Автор книги: Владимир Поляков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 20 (всего у книги 26 страниц)

Магнетрон.

Что же касается приемников сантиметровых волн, то наибольшее распространение получил супергетеродин с кристаллическим смесителем (СМ) на входе. Специальный полупроводниковый диод с малой емкостью p-n перехода монтируется прямо в волноводе, идущем от антенного переключателя. К принимаемому сигналу добавляется сигнал местного гетеродина, собранного на маломощном отражательном клистроне. Частота гетеродина отличается от частоты принимаемых импульсов на значение, равное промежуточной частоте (ПЧ). Промежуточная частота выбирается в диапазоне 30…100 МГц, т. е. там, где сравнительно несложно получить большое усиление с помощью электронных ламп или транзисторов. Основное усиление сигнала происходит в тракте ПЧ. Оно может достигать 10⁶. Принимаются меры по выравниванию амплитуд сильных и слабых отраженных сигналов. К ним относятся усилители ПЧ с логарифмической амплитудной характеристикой, различные системы автоматической регулировки усиления. На входе приемника сильные сигналы от близких объектов и слабые от далеких целей могут различаться на 100…120 дБ. В усилителе ПЧ эта разница уменьшается до 20…30 дБ, и тогда все отражения будут хорошо видны на экране индикатора. Последними элементами структурной схемы приемника являются детектор и усилитель видеоимпульсов.

Супергетеродинный приемник РЛС.

Стремление увеличить дальность действия привело к тому, что радиолокация, как и многие другие области техники, пережила эпоху «гигантомании». Создавались все более мощные магнетроны, антенны все больших размеров, устанавливавшиеся на могучих поворотных платформах. Платформа вращалась со скоростью несколько оборотов в минуту, и поэтому операторы не выдерживали более двух часов подобной карусели. В последующих разработках операторы уже размещались вне поворотных платформ. Мощность PЛC достигала 10 и более мегаватт (миллионов ватт) в импульсе. Более мощные передатчики создавать было уже физически невозможно: резонаторы и волноводы не выдерживали высокой напряженности электромагнитного поля, в них происходили неуправляемые разряды. Появились данные и о биологической опасности высококонцентрированного излучения РЛС. Кто-то из операторов зимой погрел руки в фокусе параболической антенны. На руках перестали заживать царапины, а нервные каналы и лимфатические узлы воспалились. Со временем появились нормы на предельную плотность потока СВЧ энергии, допустимые для работы человека (кратковременно допускается до 10 мВт/см²).

Итак, мощности дошли до предела. Но у радара, выполненного по традиционной, уже описанной схеме есть еще много других внутренних противоречий. Например, между точностью определения координат и временем поиска цели. Для повышения точности нужен «игольчатый» луч. Но обнаружить им цель в безбрежном воздушном океане – это все равно, что найти иголку в стоге сена! Искать цель лучше широким лучом. Следовательно, надо управлять формой луча. Но как это сделать, если антенной служит несгибаемое, штампованное из металла зеркало, закрепленное на литой станине?

Другая проблема. Надо узнать дальность до самолета и его скорость. Скорость лучше всего определяется доплеровским методом, по разности частот посланного и отраженного импульсов. Но импульс надо сделать как можно короче, чтобы точнее измерить дальность. А чем короче импульс, тем с большей погрешностью определяется его частота. Ведь для этого надо сосчитать число периодов за определенный промежуток времени. Этот промежуток равен длительности импульса; чем она меньше, тем меньше периодов укладывается в импульсе и тем хуже точность определения скорости. Следовательно, нужно управлять и формой импульса: во время измерения дальности импульс надо сделать коротким, а во время определения скорости длинным. Ученые предложили и другое, лучшее решение – излучать сравнительно длинные импульсы, а внутри импульса ввести модуляцию, т. е. изменять частоту или фазу колебаний по определенному закону. Такие сложные радиолокационные сигналы позволили преодолеть роковое «соотношение неопределенности» в радиолокации и одновременно повысить точность определения и дальности, и скорости.

Вот пример сложного сигнала Относительно длинный радиолокационный импульс разбивается на некоторое число более коротких отрезков. В течение каждого отрезка фаза сигнала имеет значение либо 0, либо 1, в соответствии с цифровым двоичным кодом. Код Баркера, например, обладает интересным свойством: помноженный на такой же код с некоторым сдвигом и усредненный, он дает максимальное значение результата только в том случае, когда сдвиг равен нулю. В приемнике отраженный сигнал детектируется фазовым детектором и подается на сравнивающее устройство, в котором уже заложен переданный код. Когда все разряды сравниваемых кодов совпадают, на выходе сравнивающего устройства появляется сигнал совпадения. На рисунке показан семиразрядный код Баркера.

Фазоманипулированный сигнал.

Хотя длительность всего импульса в семь раз больше длительности передачи одного разряда, разрешающая способность РЛС по дальности будет соответствовать именно длительности одного разряда. Энергия всего импульса увеличится в семь раз, что повысит и дальность действия, и точность определения скорости. Возможность когерентного накопления сигнала, т. е. суммирования амплитуд многих последовательно излучаемых импульсов, достигается лишь тогда, когда фаза следующих друг за другом импульсов не изменяется. Передатчик в этом случае уже нельзя выполнить в виде автогенератора, например, на магнетроне. Нужен задающий генератор, вырабатывающий непрерывные колебания со стабильной частотой и фазой и усилитель мощности с импульсной модуляцией.

Новые требования, предъявляемые к РЛС, привели к разработке совершенно новой техники. С появлением транзисторов мощные мегаваттные передатчики РЛС постепенно ушли в прошлое. Что же, уменьшилась излучаемая мощность? Ничуть не бывало! Даже возросла. Только создаваться она стала не одним мощным передатчиком, а многими маломощными. Вот как это случилось.

ЭВМ управляет радаром

Опять управление? Конечно. В радиолокации, как нигде, мы сталкиваемся с такими тремя китами современной электроники, как управление, сигналы, информация. Надо управлять диаграммой направленности антенны и ее положением в пространстве, надо управлять формой сигнала и, наконец, надо обрабатывать принятые сигналы и извлекать из них информацию об объектах. Интуитивно ясно, что лучше всего с этими задачами справится компьютер. А как он будет это делать, я сейчас расскажу.

Подлинная революция в радиолокационной технике началась с изобретением фазированных антенных решеток. Представьте себе плоскость, равномерно заполненную излучателями: диполями, раскрывами маленьких рупоров или просто щелями в волноводах. Плоскость – это раскрыв антенны. Математики рассчитали: чтобы получить заданную диаграмму направленности, надо создать определенное распределение амплитуд и фаз излучаемого поля в раскрыве. Диаграмма и распределение по раскрыву однозначно связаны. Нужное распределение легко получается, если регулировать амплитуды и фазы волн, создаваемых отдельными излучателями. Но не вручную же регулировать! Конечно, нет. Электрическим путем, а управляющие сигналы пусть вырабатывает компьютер.

Открывающиеся возможности поистине огромны. Можно сформировать луч любой конфигурации. Можно не один, а три, двенадцать лучей, сколько угодно! Как многоглазое существо, радар с фазированной антенной решеткой может следить каждым глазом-лучом за своей целью. И незачем теперь конструировать один мощный магнетрон – пусть каждый излучатель питается от своего маломощного транзисторного усилителя мощности. А все усилители получат возбуждение от одного высокостабильного задающего генератора. Таким образом заодно будет решена и проблема когерентности излучения. Фазированная антенная решетка может содержать тысячи и даже десятки тысяч элементов. Если изготавливать их традиционным способом – с широким использованием ручного труда слесарей и радиомонтажников, стоимость РЛС получится очень высокой. На помощь приходит интегральная технология.

Интегральные СВЧ микросхемы? Да, теперь это уже реальность. На смену медным трубам-волноводам пришли микрополосковые линии передачи. На подложку из стекла или СВЧ керамики с двух сторон наносят металлизированные слои. Один слой служит «землей» или общим проводом. Другой слой протравливается, образуя линии передачи, фильтры, направленные ответвители – одним еловом, весь ассортимент волноводной СВЧ техники. На эту же подложку напаивают кремниевые кристаллы транзисторов, диодов и микросхем управления.

Фазированная антенная решетка.

Какие же результаты достигнуты за последние годы? Сказать «потрясающие» – значит не сказать ничего. Вот несколько цифр. Один из последних представителей эпохи «гигантомании» американский радар системы дальнего обнаружения и оповещения BMEWS. Он обеспечивает дальность действия по малым воздушным целям до 5000 км, мощность в импульсе 50…70 МВт, имеет полноповоротное зеркало диаметром несколько десятков метров.

Ну а более современный радар с фазированной антенной решеткой?

В одном из подобных радаров решетка содержит 1000 элементов, и каждый излучает в импульсе мощность по 1 МВт. Таким образом, общая мощность, излучаемая антенной, достигает 1000 МВт. Добавьте сюда обработку и накопление сигнала с помощью цифровой ЭВМ, и получится результат совсем уж невероятный: объект величиной с маленький арбуз этот локатор обнаружит на расстоянии 1600 км.

Когда техника развивается и преодолевает новые рубежи, должны появляться открытия. Они и последовали. Было открыто, например, радиоизлучение Солнца. Ничего удивительного в этом факте, конечно, нет: излучает ведь Солнце в диапазоне видимых световых электромагнитных волн, так почему бы ему и не излучать в радиодиапазоне? Удивительно другое – радиоизлучение Солнца открыли, изучая после второй мировой войны рассекреченные документы Британской радиолокационной службы ПВО. Вы помните, что вдоль побережья Англии была построена цепь РЛС. «Смотрели» они на восток, откуда ожидались немецкие самолеты, а потом и ракеты, небезызвестные ФАУ-1 и ФАУ-2. И каждое утро уровень помех на экранах радаров возрастал. Думали, что это немцы создают искусственные помехи. Но, сопоставив время появления помех с астрономическими данными о времени восхода Солнца, получили точное совпадение. Открытие было сделано в 1944 году на волне 1,87 м. Теперь радиоастрономы постоянно наблюдают радиоизлучение Солнца на всех волнах – от миллиметровых до метровых, что помогает предсказывать магнитные бури и нарушения радиосвязи на Земле. Прекрасный пример неожиданного астрономического открытия, а также иллюстрация того, сколь велика чувствительность радиолокационных приемников, ведь поток радиоизлучения Солнца очень мал. На волне 1,5 м он примерно в 200000 раз меньше, чем от 50-ваттного радиопередатчика, работающего на той же волне и удаленного на 100 км.

Другое открытие. Когда мощность передатчиков и чувствительность приемников РЛС дальнего обнаружения намного возросли (помните арбуз на расстоянии 1600 км?), стали регистрировать отражения неизвестно от чего. «Опять обнаружили «ангелов» – шутили специалисты. Ну добро бы туча попала в диаграмму направленности. Отражения от облаков получаются, они хорошо известны, ведь капли воды, хотя и незначительно, рассеивают электромагнитные волны. К слову сказать, еще во время войны часто наблюдали отражения от облаков, правда искусственных облаков из станиолевых полосок. Экипаж каждого бомбардировщика союзников, отправляясь с грузом бомб в очередной налет на Германию, брал с собой несколько мешков фольги, мелко нарубленной короткими ленточками-диполями. В месте предполагаемого обнаружения самолета немецкими РЛС мешок фольги просто высыпался за борт. Долгое время полоски фольги, кружась, опускались на землю. А на экране радара вида о было лишь устрашающе огромное отражение от облака фольги, в котором тонуло маленькое пятнышко отражения от самолета. Так зародилось то, что потом получило название радиоэлектронного противодействия.

Это история. Сейчас метеорологические РЛС обнаруживают каждую дождевую тучу, каждое градовое облако, что позволяет заблаговременно оповещать о них работников сельского хозяйства.

Но вернемся к «ангелам». В воздухе заведомо ничего нет, в лучшие телескопы не видно ни пятнышка, посланный истребитель слетал и ничего не обнаружил, а отражение на экране есть. Исследуя характер и распределение по толще атмосферы отражений от «ангелов», ученые пришли к выводу, что виноваты неоднородности показателя преломления чистого воздуха. В нормальных условиях он очень мал: всего 1,0003. Измеряют его обычно в N единицах – миллионных долях разности между значением показателя преломления и единицей. В обычных условиях получается 300 N единиц. Приходилось ли вам видеть клубы дыма или пара над большим костром, пожарищем или крупной теплоэлектростанцией? Разумеется, видели. Теплый воздух поднимается вверх неравномерно, а очагами, клубами. То же самое получается и в ясный летний день. Клубы нагретого от земли воздуха, совершенно невидимые глазом, поднимаются от нагретой земли кверху. Их характер и расположение видел каждый, когда в летнее утро на безоблачном прежде небе появляются первые легкие кучевые облака. Каждое облако – вершина клуба теплого воздуха, поднявшегося с земли. Показатель преломления зависит от температуры и влажности, поэтому внутри клуба теплого воздуха он отличается на несколько N единиц. Этого достаточно, чтобы создать слабое радиолокационное отражение. Таким образом, локатор дал аэрологам, физикам и метеорологам новое средство исследования структуры атмосферы.

Между прочим, метеорологи в своих исследованиях уже давно используют не столь мощные, сравнительно простые и дешевые радиолокаторы. Они оказались незаменимыми при радиозондировании атмосферы. Вы наверняка слышали про метеорологические шары-зонды, регулярно запускаемые с метеостанций. Это небольшой, наполненный легким газом шар с привязанной к нему картонной коробкой. В коробке размещены датчики давления, температуры и влажности, а также простенький телеметрический радиопередатчик, по определенной программе сообщающий на метеостанцию данные о состоянии атмосферы. А наблюдая за дрейфом шара в воздушных потоках, можно узнавать направление и силу ветра на разных высотах. Все эти данные крайне важны и для научных исследований, и для прогнозов погоды. Но как наблюдать за шаром, поднимающимся на высоту до 30 км и уносимым ветром на еще большее расстояние? С помощью теодолита или даже сильного телескопа это можно сделать лишь в исключительно ясную погоду. Как быть при дымке, облаках, в пасмурную погоду? На помощь приходит радар. Для него дымка, облака и туман не помеха. С равным успехом за шаром можно следить и ночью. Чтобы шар лучше отражал радиоволны, его пластиковую или резиновую оболочку металлизируют – покрывают слоем алюминиевой пудры. Но это не лучший способ сделать шар-зонд «заметнее» в луче РЛС.

Часто используют так называемые радиолокационные ответчики – простые транзисторные генераторы, настроенные на частоту РЛС. Ответчик включается зондирующим импульсом РЛС и немедленно генерирует собственный импульс, создающий на экране РЛС яркую и четкую отметку. Он оснащен слабонаправленной антенной (обычно полуволновый диполь), поэтому его ориентация в полете практически значения не имеет.

У описанного активного ответчика есть один существенный недостаток: он «отвечает» только тому радару, на частоту которого настроен. Кроме того, ему нужен источник питания. Предположим, что вы яхтсмен и собираетесь на небольшой деревянной яхте выйти на акваторию с оживленным движением судов. Вам надо позаботиться о том, чтобы все суда вас хорошо «видели» и случайно не утонили в условиях плохой видимости. А поскольку в этих условиях навигация осуществляется в основном с помощью корабельных PЛC, вам нужен эффективный радиолокационный отражатель. Такие отражатели есть, и ни один яхтсмен не выйдет без него в море.

Пожалуй, проще всех по конструкции уголковые отражатели. Они выполняются из трех взаимно перпендикулярных плоских металлических листов. При этом с какой бы стороны ни проходил радиолокационный сигнал, он отражается строго в обратном направлении. Это можно доказать, воспользовавшись законом геометрической оптики: угол падения равен углу отражения. Закон геометрической оптики применим, если размеры отражателя существенно больше длины волны. Например, уголковый отражатель со стороной 30 см будет прекрасно виден на экране РЛС, работающей в трехсантиметровом диапазоне волн. Эффективная площадь рассеяния такого «уголка» достигает нескольких квадратных метров, т. е. как и у небольшого самолета. Уголковые отражатели применяют и на суше, например для обозначения границ взлетного поля аэродрома. На экране самолетной РЛС отражатели видны яркими точками.

Уголковый отражатель и принцип его действия.

Теперь вас ожидает рассказ со сказочным сюжетом. Представьте самолет-разведчик, летящий вдоль границы. Он не залетает на территорию чужой страны и «просматривает» ее лучом радара. На выходе РЛС или даже потом, на земле, после обработки данных, получается подробнейшая карта чужой территории, да какая карта! На расстоянии нескольких сотен километров можно разглядеть каждую улицу, каждый дом, отдельные автомашины. «Ну, уж извините, – скажет читатель, – такое невозможно даже при наблюдении в самый лучший оптический телескоп». Вы правы, с помощью оптического телескопа такое разрешение получить почти невозможно, а с помощью радара – да. То, что я рассказал, не сказка, это было сделано еще десять – пятнадцать лет назад.

Вот самое последнее достижение. К Венере в 1984 году были посланы две советские межпланетные станции – Венера-15 и Венера-16. Четыре месяца они были в полете, пока не вышли на околовенерианскую орбиту высотой 1000…2000 км. С этой огромной высоты заработали радиолокаторы. Было проведено много сеансов локации поверхности. Сквозь плотный слой облаков осуществлялось ее детальное картографическое исследование. Разрешающая способность локаторов достигала 1 км, а точность определения высоты – 30 м. Данные передавались на Землю по космической радиолинии и обрабатывались уже здесь, на Земле.

Руководитель коллектива, создавшего уникальную аппаратуру, академик А. Ф. Богомолов рассказывает, что при использовании традиционной радиолокационной техники понадобились бы антенны диаметром 60…70 м. Доставить такие антенны к Венере было нереально. Поэтому и использовали новый тип радара – радиолокатор бокового обзора с синтезированной апертурой. Что же это за локатор, превосходящий по разрешающей способности лучшие оптические приборы?

РЛС бокового обзора.

Вернемся к примеру с самолетом, летящим вдоль границы. Этот радар «смотрит» вбок, перпендикулярно направлению полета. Отсюда и название – «PЛC бокового обзора». Для разрешения объектов размером в несколько метров на расстоянии, скажем, 100 км ширина луча должна составлять 10^-5 рад, или около двух угловых секунд. На волне длиной З см апертуру обычной антенны вдоль направления полета надо было бы сделать равной 3 км, что, разумеется, нереально: антенна-то самолетная. А что, если воспользоваться тем обстоятельством, что самолет с его реальной маленькой антенной последовательно проходит все это расстояние. Ведь тем самым как бы получаем антенну с воображаемой, синтезированной апертурой.

В начале нужного нам трехкилометрового отрезка трассы полета самолета РЛС излучает импульсы, а отраженные сигналы запоминаются в ЭВМ или записываются на пленке с учетом их амплитуд и фаз. То же самое делается и на всем пути синтезирования. А затем все записанные сигналы складываются так, как это сделала бы реальная антенна с длиной 3 км.

Обработка сигналов при синтезировании очень сложна. Прежде всего импульсы должны быть когерентными, т. е. с неизменной частотой и фазой. Отражающих целей много, и объем обрабатываемой информации громаден. В первых опытах использовали фотопленку и оптическую систему обработки в когерентном лазерном свете. Ведь записанная информация об амплитуде и фазе отраженных сигналов является не чем иным, как голограммой[3]3
  Голограмма интерференционная картина световых волн, содержащая полную информацию об объекте. Голограмма записывается на светочувствительной поверхности и при освещении ее когерентным светом создает объемное изображение объекта.


[Закрыть], только снятой не в оптическом, а в радиодиапазоне. Голограмма несет всю информацию об объектах, сумей только ее обработать! Теперь эта задача по плечу большим цифровым ЭВМ, и изображение местности, снятой радаром бокового обзора с синтезированной апертурой, можно получать прямо на ходу, в полете.

Чудес в радиолокации еще очень много. Эта область науки интересна и для математиков, и для физиков, и для радиоинженеров – всем найдется сфера приложения сил.