Посвящение в радиоэлектронику
Шрифт:
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
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,
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.
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.