Файл: Филаткин К.М. Радиометрист штурманский учеб. пособие.pdf

под щелями объемных резонаторов, электроны возбуж­ дают в них свободные колебания (рис. 62,в). В это время в резонаторах свободный электрон, имеющийся на стенке 1, отталкивается приближающимся потоком электронов и переходит на стенку 2. Таким образом, на стенке 1 образуется положительный заряд, а на стенке 2 — отрицательный. В результате емкость объемного контура заряжается. После этого начинается разряд емкости и в контуре возникают колебания. Колебания, возникшие в одном резонаторе, вызывают колебания во всех резонаторах, так как все они связаны между со­ бой пронизывающими их магнитными и электрическими полями (рис. 62,г). Колебания двух соседних резона­ торов сдвинуты по фазе на 180°. Для усиления связи между резонаторами выступы анода соединяются меж­ ду собой через один при помощи проволочных связок. В любой момент времени высокочастотное поле под од­ ной половиной щелей является для пролетающих под ним электронов ускоряющим, а под другой половиной— тормозящим. Вследствие этого из общего количества электронов, вылетающих в каждый момент времени из катода, половина попадает под тормозящие щели и ока­ зывается таким образом полезной, а половина — под ускоряющие щели и оказывается вредной.

Полезные электроны находятся в пространстве вза­ имодействия значительно дольше, чем вредные, поэтому их оказывается больше, и электронный поток в магне­ троне разбивается на группы, по форме напоминающие спицы колеса. Спицы непрерывно вращаются, переме­ щаясь от одной щели к другой за полпериода, и всегда проходят щель в тот момент, когда она тормозящая. Магнетрон является источником мощных колебаний в сантиметровом диапазоне.

§ 2. Модуляторы

Радиолокационные передатчики вырабатывают энер­ гию сверхвысокой частоты не непрерывно, а кратковре­ менными импульсами, повторяющимися через равные промежутки времени. Поэтому во всяком импульсном генераторе различают две частоты: рабочую частоту генератора и частоту повторения импульсов. Рабочая частота всегда сверхвысокая (1000—30 000), а частота

118

повторения импульсов низкая. Процесс управления не­ затухающими колебаниями генератора по закону низ­ кой частоты называется м о д у л я ц и е й , а устройства, осуществляющие это управление, — м о д у л я т о р а м и . Управление незатухающими колебаниями достигается изменением амплитуды, частоты или фазы этих коле­ баний. Поэтому различают соответственно амплитуд­ ную, частотную и фазовую модуляции.

Для управления работой радиолокационных пере­ датчиков, работающих в импульсном режиме, применя­ ется импульсная модуляция, являющаяся разновид­ ностью амплитудной модуляции. При этой модуляции напряжение на аноды генераторных , ламп подается лишь на время генерации. В перерыве между импуль­ сами анодное напряжение снимается. Единственным не­ достатком анодной модуляции является то, что моду­ лятор должен иметь большую мощность, так как он яв­ ляется источником анодного питания для генераторных ламп. Для формирования прямоугольных импульсов большой мощности в модуляторах радиолокационных станций применяются специальные накопители и ком­ мутирующие устройства. В качестве накопителей энер­ гии в модуляторах применяются накопительные конден­ саторы и искусственные линии.

§ 3. Приемные устройства

Отраженная от различных объектов электромагнит­ ная энергия возвращается к антенне РЛС в виде радио­ импульсов мощностью порядка долей микроватта и наводит в антенне малую э.д.с., обнаружить которую без специального усиления почти невозможно. Это вы­ нуждает между антенной и индикатором РЛС устанав­ ливать специальное устройство для усиления принимае­ мых сигналов. Оно предназначено для усиления . отра­ женных радиоимпульсов и преобразования их в вид, удобный для наблюдения. Качество приемника опреде­ ляется такими его параметрами, как чувствительность, коэффициент усиления и полоса пропускания.

Чувствительность приемника — способность воспри­ нимать слабые отраженные радиоимпульсы. Она харак­ теризуется минимальной мощностью сигнала на входе приемника, при которой на выходе развивается напря­

119

жение, достаточное для получения на индикаторе от­ метки цели.

Коэффициент усиления приемника — отношение на­ пряжения усиленного сигнала на выходе приемника к напряжению этого сигнала на входе приемника.

Полоса пропускания приемника — диапазон частот, равномерно усиливаемых приемником. Она ограничи­ вается крайними частотами, для которых коэффициент усиления составляет 0,707 максимального.

Рис. 63. Лампа бегущей волны и принцип группирования элек тронов в ней

Собственные шумы приемника возникают вследст­ вие хаотического теплового движения электронов во всех элементах приемника. Они ограничивают чувстви­ тельность и полосу пропускания приемника.

В сантиметровом диапазоне волн для усиления ко­ лебаний сверхвысокой частоты применяются специаль­ ные лампы, работающие на принципе, отличном от принципа работы обычных электронных ламп. Пред­ ставителем этих ламп является лампа бегущей волны. Па рис. 63,р приведена схема устройства такой дампы

120

Данная лампа работает на принципе взаимодействия электронного потока с бегущей электромагнитной вол­ ной, образуемой усиливаемым сигналом.

Лампа бегущей волны состоит из стеклянного бал­ лона 1, внутри которого размещаются все элементы лампы: электронная пушка, состоящая из подогрева­ тельного катода 2 с фокусирующим электродом 3, ус­ коряющий анод 4 с проволочной спиралью 5 и коллек­ тор 6. Поверх баллона надеваются фокусирующий со­ леноид 7 и волноводная секция 8 с входным 9 и выход­ ным 10 волноводами, согласующими трансформатора­ ми 11.

Источником электронного потока 12 служит элек­ тронная пушка, создающая параллельный пучок элек­ тронов. На своем длинном пути движения внутри спи­ рали без принятия особых мер электронный поток не­ избежно разошелся бы даже только из-за взаимного отталкивания электронов. Поэтому возникла необходи­ мость «фокусировки» электронного пучка на всем его протяжении. Она осуществляется продольным магнит­ ным полем. Ускоренный, сфокусированный электронный

щий проводящий кожух. Спираль вместе с кожухом составляет спиральную линию передачи электромагнит­ ных волн, своеобразный волновод, или, как принято на­ зывать, линию замедления. Ближе к электронной пуш­ ке расположен входной волновод 9, по которому по­ ступает сигнал, подлежащий усилению. Линии напря­ женности электрического поля, создаваемого в волново­ де сигналом, располагаются параллельно небольшой ан­ тенне, являющейся в то лее время отогнутым вдоль оси лампы концом спирали. Электромагнитные волны воз­ буждают в антенне токи высокой частоты, последние, в свою очередь, возбуждают вокруг провода электриче­ ские и магнитные поля, которые со скоростью света распространяются вдоль провода спирали. Дойдя до выходного волновода, волна возбуждает в нем анало­ гичную волну. С помощью согласующих трансформато­ ров 11 молено устранить отражение энергии и получить в лампе бегущую волну тока и напряжения. Направле­ ние двилеения электронов в ламце всегда одно и то лее,

121

т. е. от электронной пушки к коллектору; направление напряженности электрического поля волны в спирали периодически изменяется во времени с частотой, равной частоте приходящих колебаний. На рис. 63,6 показаны два случая прохождения электрона через электрическое поле. В первом случае направление электрического по­ ля совпадает с направлением движения электрона, во втором случае они противоположны. Так как за направ­ ление напряженности электрического поля принято на­ правление движения положительного заряда, то отри­ цательно заряженный электрон в первом случае будет тормозиться, а во втором — ускоряться.

Если электроны попадают в тормозящее электриче­ ское поле, значит, они будут отдавать свою кинетиче­ скую энергию, которая преобразовывается в энергию электромагнитного поля, т. е. электромагнитное поле будет усиливаться. Усиленное поле возбудит в выход­ ном волноводе волну, которая будет значительно силь­ нее волны, поданной на вход ЛБВ.

Электрон, пролетающий ускоряющий участок элек­ трического поля, проходит его значительно быстрее и попадает в область торможения до того, как ее поки­ нул электрон, подвергнувшийся торможению. Вследст­ вие этого происходит преобразование первоначальной скоростной модуляции электронного потока в так назы­ ваемую модуляцию по плотности. Электроны группи­ руются, образуется сгусток электронов, длительное вре­ мя находящийся в тормозящем поле. В результате ЛБВ дает очень высокие коэффициенты усиления, до­ стигающие миллиона раз по мощности в одной лампе.

Вторым элементом приемника является преобразо­ ватель частоты, служащий для преобразования колеба­ ний сигналов высокой частоты в колебания более низ­ кой промежуточной частоты, на которой легче осущест­ вить необходимое усиление. Высокая частота сигналов преобразуется в промежуточную методом биений. Прин­ цип такого преобразования заключается в сложении двух направлений с различными частотами. Особен­ ностью биений является периодическое изменение их амплитуды. Оно получается вследствие несовпадения частот, в результате чего напряжения либо складывают­ ся, либо вычитаются. Частота изменения амплитуды би­ ений называется ч а с т о т о й биений. Она всегда

122

ниже частот, образовавших биения, и равна их раз­ ности.

Если полученные биения выпрямить, то на нагрузоч­ ном сопротивлении будет проходить пульсирующий ток,

Рис. 64. Клистрон и принцип группирования электронов в нем

Смесители приемников метрового диапазона могут собираться на обычных диодах, триодах или пентодах с большой крутизной характеристики и малым уровнем шумов. Схемы преобразователей, применяемые в мет­ ровом и дециметровом диапазоне, не пригодны для сан­ тиметровых воли. В качестве гетеродинов в сантимет­ ровом диапазоне волн используются клистронные ге­

123

лении. В этом клистроне применен разборный резона­ тор с дисковыми впаями в стекло баллона. Источни­ ком электронов является оксидный катод. К ускоряю­ щему электроду подводится специальное напряжение, создающее ускорение движения электронов. К отрица­ тельному электроду подведено отрицательное по отно­ шению к катоду напряжение.

По диаграмме, изображенной на рис. 64,6, рассмот­ рим работу клистрона. Допустим, в момент времени /х электрон Эи вылетая из катода, попадает в ускоряю­ щее поле резонатора в момент времени /2; электрон Э2 вылетает позже и попадает в тормозящее поле резона­ тора в момент времени /3. В пространство группирова­ ния электрон 5i влетает с большей скоростью, чем Э2. Обладая большим запасом кинетической энергии, пер­ вый электрон будет дольше сопротивляться действию тормозящего поля отражателя и ближе подойдет к не­ му, чем второй. Поэтому, хотя второй электрон вылетел

мы подберем расстояние между резонатором и отража­ телем и напряжения на электродах, можно добиться положения, что все электроны будут собираться в сгуст­ ки в резонаторе тогда, когда поле для них будет тор­ мозящим. Первоначальное возбуждение колебаний в клистроне происходит от шумовой составляющей элек­ тронного потока. Под .влиянием этих слабых колебаний произойдет первоначальная группировка электронов. Незначительные сгустки, вернувшиеся из пространства группирования, будут усиливать колебания в резонато­ ре, отдавая ему свою кинетическую энергию. Отража­ тельный клистрон можно настраивать на разные часто­ ты, механически изменяя объем резонатора. В неболь­ ших пределах частоту можно изменять путем изменения напряжения на отражателе. Клистрон очень чувстви­ телен к изменению напряжений на всех электродах, особенно на отражателе. Однако при этом меняется не

124