Файл: Учебник радиометриста флота учебник для школ и учебных отрядов ВМФ..pdf

Глава 2

ПЕРЕДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА РЛС

§ 1. Общие сведения о передающем устройстве

Передающее устройство радиолокационной станции преоб; разует энергию низкой частоты источника питания в кратковре­ менные импульсы высокой частоты и большой мощности для последующего излучение их в пространство через антенно-фи­ дерное устройство (АФУ). Оно обычно состоит из схемы запу­ ска, модулятора, подмодулятора (ПМ), генератора СВЧ, источ­ ника питания (ИП) (рис. 1193).

Схема запуска предназначена для координации работы бло­ ков и схем РЛС. Она вырабатывает короткие импульсы напря­ жения длительностью в несколько микросекунд. Частота их за­ висит от дальности действия РЛС.

Подмодулятор (ПМ) служит для усиления импульсов схе­ мы запуска перед подачей их на модулятор.

Модулятор управляет работой генератора СВЧ в импульс­ ном режиме. Он вырабатывает короткие прямоугольные импуль­ сы напряжения заданной длительности и амплитуды, которые обычно имеют длительность от долей микросекунд до несколь­ ких микросекунд, а амплитуду — до нескольких десятков кило­ вольт. Для формирования таких импульсов в импульсных мо­ дуляторах (ИМ) используются накопительные и коммутирую­ щие устройства. ■

Генератор СВЧ вырабатывает кратковременные импульсы электрической энергии сверхвысокой частоты и большой мощ­ ности. Длительность генерируемых им импульсов значительно меньше паузы. Это позволяет использовать генераторы СВЧ в форсированном режиме и получать от них импульсные мощ­ ности, во много раз превышающие те, которые от них можно было бы получить при непрерывной работе.

Источником питания (ИП) для передающего устройства обычно является высоковольтный выпрямитель, преобразующий электрическую энергию агрегата питания РЛС в энергию по­ стоянного тока высокого напряжения. Кроме того, в состав передающего устройства входят элементы защиты и контроля.

Принцип действия передатчика импульсной РЛС заключа­ ется в том, что за время паузы накопительное устройство заря­ жается от высоковольтного выпрямителя (ИП). При поступле­ нии импульса от схемы запуска срабатывает коммутирующее устройство и накопительное устройство быстро разряжается. В

процессе разряда накопительного устройства через коммути­ рующее устройство на генератор СВЧ кратковременно подается высокое напряжение. В это время генератор СВЧ формирует импульс напряжения сверхвысокой частоты и большой мощно­ сти для излучения через АФУ. Этот процесс повторяется с по­ ступлением каждого импульса от схемы запуска.

§ 2. Ламповые генераторы

Генерация колебаний сверхвысокой частоты в диапазоне метровых и дециметровых волн осуществляется ламповыми ге­ нераторами с самовозбуждением, работающими на общих прин­ ципах, изложенных ранее.

В настоящее время в генераторах метровых волн использу­

слабо, что ею можно пренебречь. Но междуэлектродные емко­ сти и индуктивности выводов входят в состав колебательной системы генератора. Генераторы метровых волн собираются по однотактным и двухтактным, преимущественно трехточечным, схемам с емкостной обратной связью. Внешняя часть колеба­ тельной системы составляется из двух реактивных сопротивле­ ний X 1 и Х2 (рис. 194), которые на наиболее коротких метровых волнах могут быть в виде отрезков двухпроводных короткозам­ кнутых линий.. Общий электрод в этих схемах, как правило, заземляется. На рис. 194, в изображена наиболее распростра­ ненная в генераторах УКВ однотактная схема с общей сеткой. Достоинством этой схемы является малое влияние регулировки

196

заземлена через конденсатор С3 и резистор сеточного автосме­ щения /?с _ Между анодом и сеткой включен четвертьволновой

отрезок короткозамкнутой двухпроводной линии, являющейся реактивным сопротивлением Изоляцию по высокой частоте катода от корпуса (шасси) осуществляют дроссели Д р н в цепи

Рис. 194. Подключение реактивных сопро­ тивлений в трехточечных схемах генерато­ ров. метрового диапазона:

а — с общим катодом; б — с общим анодом; 0 — с общей сеткой

накала, играющие роль внешнего сопротивления Х2. Дроссели включены параллельно через блокировочные конденсаторы С4 и С5, поэтому общая индуктивность их в два раза меньше. Кон­ денсатор С4, кроме того, выравнивает высокочастотные потен­ циалы обоих концов нити накала.

Рис. 195. Схема однотактного генератора метровых волн

собщей сеткой:

а— принципиальная; б — эквивалентная с учетом внутрнламповых емкостей и индуктивностей выводов

На рис. 195, б показана эквивалентная схема генератора с общей сеткой с учетом внутриламповых емкостей и индуктив­ ностей выводов. Индуктивность сеточного вывода Lc очень ма­ ла и ею можно пренебречь. Тогда схема превращается в двух­ контурную трехточечную схему, в которой частота колебаний регулируется изменением параметров анодно-сеточного конту­

197

ра. Обратная связь регулируется изменением величины общей индуктивности дросселей накала. На более длинных метровых

кой образует разделительный конденсатор. Индуктивнрсть про­ вода 15, соединяющего положительный полюс анодного источ­ ника тока с анодом, заменяет блокировочный дроссель. На управляющую сетку лампы подается напряжение смещения с ре­ зистора -Як-

Стабильность частоты ламповых генераторов СВЧ высокая.. К-п.д. их составляет 40—60% на волнах до 30 см и более низ­ кий на волнах меньшей длины.

198

§ 3. Магнетронные генераторы

Магнетроном называется автогенератор синусоидальных ко­ лебаний СВЧ, в котором электронный поток управляется с по­ мощью электрического и магнитного полей.

Конструкции магнетронов различные, но в радиолокационных устройствах сантиметрового диапазона волн наиболее распрост­ раненным является многорезонаторный магнетрон.

Анод представляет собой массивное медное кольцо, в кото­ ром располагаются объемные резонаторы. На наружной сторо­ не кольца имеются ребра для лучшего охлаждения анода. На волнах длиннее 3 см применяются магнетроны с цилиндриче­ скими резонаторами. Резонаторы соединены вертикальными ще­ лями с пространством взаимодействия (между катодом и ано­ дом). На волнах короче 3 см применяются анодные блоки с ло­ паточными и реже со щелевыми резонаторами (рис. 197, б, в). Число резонаторов всегда четное (от 6-—8 до 30—40). Оно уве­ личивается с укорочением длины рабочей волны магнетрона.

Колебания СВЧ, вырабатываемые магнетроном в объемных резонаторах, передаются к нагрузке через выходное устройство. На сантиметровых (или дециметровых) волнах для этой цели используется петля связи, располагаемая в одном из резона­ торов (рис. 197, а). Петля соединяется с коаксиальной линией или волноводом, отводящим колебательную мощность к антен­ не. Через пространство взаимодействия все резонаторы анод­ ного блока связаны между собой, поэтому при размещении петли связи в одном из них энергия отбирается от всех резона­ торов. В магнетронах, работающих на волнах короче 3 см, коле­ бательная мощность отводится к нагрузке через волновод, свя­ занный с резонатором дифракционной щелью, так как при ма­ лых размерах резонаторов вывод энергии петлей связи встре­ чает большие конструктивные трудности.

Во всех современных многорезонаторных магнетронах ис­ пользуются колебания типа тс. В этом случае колебания в двух

Катод магнетрона располагается в середине анодного блока. В магнетронах используются оксидные катоды цилиндриче­ ской формы с большой удельной эмиссией. Плотность тока эмиссии катода достигает 90—100 А/см2 за счет явления вто­ ричной эмиссии. Поэтому для увеличения срока службы като­ дов во многих магнетронных генераторах применяются устрой­ ства, которые при работе магнетрона уменьшают ток накала или вообще снимают напряжение накала. Катод укрепляется на опорах, которые одновременно служат выводами к источнику

199

накала. Для защиты источника накала от токов высокой часто­ ты в цепь накала обычно включают четвертьволновые отрезки короткозамкнутых коаксиальных линий. С торцевой стороны катода ставят пластинки, экранирующие пространство взаимо­ действия и устраняющие утечку из него электронов.

Анодный блок заключен в металлический кожух с высоким вакуумом. Магнетроны помещаются между полюсами постоян­ ного магнита или электромагнита, создающего в пространстве

Рис. 197. Конструкция многорезонатор­ ного магнетрона

взаимодействия сильное магнитное поле. Силовые линии маг­ нитного поля направляются параллельно оси катода (или анод­ ного блока). В некоторых типах магнетронов, получивших на­ звание пакетных, магниты объединяются в общую с магнетро­ ном конструкцию, что позволяет ближе расположить магнит­ ные полюсы и получить необходимую индукцию от магнита меньших размеров.

В схемах магнетронных передатчиков анодный блок, а сле­ довательно, и положительный полюс анодного источника тока заземляют, так как изолировать массивный анод от корпуса значительно сложнее, чем катод. Высокое импульсное напряже­ ние отрицательной полярности прямоугольной формы подается на катод непосредственно от модулятора или через импульс­ ный трансформатор.

Принцип работы магнетрона основан на взаимодействии вращающегося электронного потока с переменным электриче­

2 0 0

ским полем резонаторов, в результате которого электронный поток тормозится и отдает энергию резонаторам, поддерживая и развивая в них колебания. Управление электронами в магнет­ роне осуществляется постоянным электрическим полем, направ­ ленным радиально от анода к катоду, постоянным магнитным полем, направленным вдоль катода и перпендикулярным элект­ рическому полю, переменным высокочастотным полем резона­ торов. Под воздействием электрического поля электроны, выле­ тающие из катода, должны лететь прямолинейно к аноду, уве­ личивая скорость по мере приближения к нему (рис. 198, траек­ тория 1).

Направление тока во внешней цепи будет от анода к като­ ду. При своем перемещении электроны пересекают магнитные силовые линии. Поэтому они в магнитном поле будут отклонять­ ся от первоначального направления (по правилу левой руки). Чем сильнее поле магнита и больше скорость перемещения электронов, тем это отклонение больше (траектории 2 и 3). При достаточно сильном магнитном поле траектории электронов мо­ гут быть такими, что электроны не попадут на анод, а возвра­ тятся обратно на катод (траектории 4 и 5). Приближаясь к аноду, электроны потребляют энергию источника, так как летят под воздействием электрического поля, а удаляясь от анода, отдают энергию обратно, так как под воздействием магнитного поля они начинают двигаться против сил электрического поля (от «плюса» к «минусу»), которое в этом случае замедляет их движение. Так как электроны в этом случае на анод не попа­ дают, то анодный ток магнетрона отсутствует. Величина индук­ ции магнитного поля Вкр, при которой электроны пролетают в непосредственной близости от анода, не попадая на него, назы­ вается критической. Для магнитов магнетрона величина индук­ ции выбирается несколько больше критической.

В пространстве между анодом и катодом магнетрона движет­ ся огромное количество электронов. Они беспорядочно выле­ тают из катода и также беспорядочно возвращаются обратно. Однако число находящихся в пространстве взаимодействия электронов практически остается постоянным. Они образуют между анодом и катодом вращающийся пространственный за­ ряд. Такой пространственный заряд возбуждает в резонаторах колебательный процесс. Первоначальна колебательный процесс может возникнуть пз-за случайной неравномерной плотности пространственного заряда или из-за попадания части электронов на какой-либо участок анода. Это приводит к изменению по­ тенциала этого участка и последующему выравниванию потен­ циала вдоль всей поверхности. При этом в каждом резонаторе образуются переменные магнитное и электрическое поля. На рис. 199, а видно, что соседние участки анода имеют перемен­ ные потенциалы противоположной полярности. Под действием образовавшегося переменного электрического поля электроны,

201