Авторы: Виталий Каберник и Игорь Галабурда
Подготовительный этап: технологический фундамент
После первых опытов в радиолокации наступил период затишья, продлившийся почти три десятилетия. Хотя целенаправленных разработок полноценных радаров не велось, это время стало эпохой бурного развития радиотехники в целом. Появились ключевые компоненты: усилительные и генераторные электронные лампы, серийные электронно-лучевые трубки (ЭЛТ), а также множество узлов для импульсной техники — фантастроны, блокинг-генераторы, триггеры. Значительно продвинулась теория антенн и расчётные методы. Важнейшим изобретением стал магнетрон, созданный Альбертом Халлом в 1921 году. К 1924 году на его основе были построены мощные генераторы сантиметрового и дециметрового диапазонов, надолго ставшие основой для передатчиков. Интересно, что его применение в бытовых микроволновых печах было предложено лишь в 1945 году Перси Спенсером.
Коллаж авторов
На изображении представлен многорезонаторный магнетрон. Схема не показывает магнитную систему, которая создаёт необходимое поле вдоль оси прибора. Принцип его работы мы опускаем для краткости, но он хорошо описан в специализированных источниках.
Параллельно развивалась и приёмная техника: появились новые типы радиоприёмников, высокочувствительные лампы с низким уровнем шумов и микрофонного эффекта, что критически важно для обработки слабых сигналов.
Новый виток развития: 1930-е годы
К 1930-м годам технологическая база для скачка в радиолокации была готова. Интерес к обнаружению объектов, особенно воздушных, вспыхнул одновременно в разных странах. Опуская споры о приоритетах, сосредоточимся на принципе действия импульсного радара, который можно считать классическим. Первый практически работающий импульсный радар был создан французской фирмой Sadir лишь в октябре 1938 года. До этого многие экспериментировали с непрерывными сигналами, используя эффект Доплера для выделения отражённого сигнала. Позже, в 1960-х, появились гибридные системы — квазинепрерывные радары, сочетающие преимущества обоих методов.
***
Таким образом, по типу зондирующего сигнала современные радары делятся на три группы: импульсные, непрерывные и квазинепрерывные. Последние являются наиболее прогрессивными и применяются, например, в зенитных ракетных комплексах С-300/400/500 и THAAD.
Рисунок авторов. При перепечатке активная ссылка на публикацию обязательна.
На диаграмме густота красного цвета иллюстрирует энергетический потенциал сигналов. Наибольшей энергией обладают непрерывные и квазинепрерывные сигналы, что обеспечивает им лучшую чувствительность и помехозащищённость за счёт эффективного накопления сигнала в приёмнике.
В импульсном радаре, который является темой данной статьи, в эфир излучаются короткие импульсы электромагнитной энергии. Дальность до цели определяется по времени задержки между излучением импульса и приёмом его отражения. Квазинепрерывные радары искусно используют сильные стороны как импульсного, так и непрерывного методов.
***
Технические решения 1930-х: передатчики
Важно понимать, что при сравнении радаров часто допускается ошибка, связанная с разницей между импульсной и средней мощностью. Мощность, подобно работе лошади, зависит от времени. Например, передатчик ЗРК С-75 имел импульсную мощность 1 МВт, но его средняя мощность, учитывая скважность (отношение периода к длительности импульса), была в сотни раз меньше. Импульсные передатчики того времени строились по двум основным схемам.
Рисунок авторов. Копирование разрешено.
Варианты структурных схем передатчиков импульсных радаров.
1. Модулятор формировал короткие СВЧ-импульсы из синусоидального сигнала задающего генератора, которые затем усиливались. По такому принципу, например, работал передатчик британской РЛС «Chain Home» (1938 г.), работавшей на частотах 20-30 МГц с импульсной мощностью 0.8 МВт.
Передатчик РЛС «Цепной дом» в Музее противовоздушной обороны Королевских ВВС.
Фото в свободном доступе. Автор Стефендиксон. Взято на https://en.wikipedia.org/wiki/File:Chain_Home_valve,_London_Science_Museum.jpg
Лампа - двойной триод, выходного каскада передатчика РЛС «Цепной дом».
2. Более мощный вариант: модулятор усиливал сам импульс запуска до десятков киловольт и подавал его на анод магнетрона. Тот, в режиме самовозбуждения, генерировал мощные колебания. По такой схеме строились наиболее мощные передатчики, например, в станции наведения ЗРК С-75 (импульсная мощность 1 МВт, анодное напряжение 30 кВ).
Коллаж авторов
Передатчик станции наведения ракет ЗРК С-75.
Приёмники: эпоха супергетеродинов
Современные приёмники можно классифицировать на четыре основных типа, но в радиолокации наибольшее распространение получил супергетеродинный приёмник, предложенный Эдвином Армстронгом в 1918 году. Его суть — преобразование принимаемого сигнала в сигнал фиксированной промежуточной частоты (ПЧ) с последующим усилением. Ключевое преимущество в том, что наиболее ответственные части тракта (усилители ПЧ, фильтры) не требуют перестройки по частоте, что позволяет добиться высокого качества приёма, простоты и надёжности.
Рис авторов. Копировать разрешено.
Структурная схема супергетеродинного приёмника.
Гетеродин генерирует вспомогательные колебания. В смесителе они взаимодействуют с входным сигналом, образуя комбинационные частоты. Фильтр выделяет разностную (промежуточную) частоту, настройка на которую остаётся постоянной. Перестройка на нужную радиостанцию или сигнал осуществляется изменением частоты гетеродина.
Индикаторы: визуализация дальности
Импульсный метод впервые позволил точно определять дальность. Учитывая, что скорость света составляет 300 м/мкс (для пути «туда-обратно» — 150 м/мкс), задержку отражённого сигнала можно напрямую отобразить на экране. Для этого использовалась электронно-лучевая трубка, работающая по принципу осциллографа. Развёртка луча запускалась одновременно с излучением импульса, а эхо-сигналы создавали отметки в позициях, соответствующих дальности до целей.
Рисунок авторов. При перепечатке активная ссылка на данную публикацию обязательна.
Индикатор дальности на осциллографической трубке.
Для обзора пространства антенну вращали. Синхронизировав начало развёртки с центром экрана и вращение луча с антенной, получили индикатор кругового обзора (ИКО). На нём цели отображались в виде светящихся дуг, чьи размер и яркость зависели от габаритов и эффективной площади рассеяния (ЭПР) объекта.
Рисунок авторов. При перепечатке активная ссылка на данную публикацию обязательна.
Индикатор кругового обзора на электронной лучевой трубке.
Коллаж авторов
Вид индикатора кругового обзора РЛС 5Н87. Отражение учебного налёта.
Антенны, фидеры и системы коммутации
Для передачи СВЧ-сигналов в радиолокации вместо обычных кабелей часто используются волноводы — металлические «трубы», проводящие электромагнитную энергию. В метровом диапазоне могли применяться и коаксиальные кабели.
Коллаж авторов
Коаксиальные кабели и волноводы.
Поскольку передача и приём в импульсном радаре разнесены во времени, одну антенну и фидерный тракт можно использовать для обеих операций. Однако разница в мощности (мегаватты на передаче против микроватт на приёме) колоссальна, поэтому приёмник необходимо защищать. Для этого, а также для переключения между антенной и эквивалентом нагрузки (при настройках) служит антенный переключатель. Ранние переключатели, например, на газоразрядниках, автоматически зажигались мощным импульсом передатчика, шунтируя вход приёмника и направляя энергию в антенну. После окончания импульса разрядники гасли, открывая путь слабому эхо-сигналу к приёмнику.
Рисунок авторов
Антенный переключатель на газовых разрядниках.
Британцы в своей первой импульсной РЛС «Chain Home» (1938 г.) пошли другим путём, просто разнеся передающие и приёмные антенны на сотни метров, что выглядело весьма монументально.
Фото в общественном достоянии. Автор - официальный фотограф Королевских ВВС. Взято на https://en.wikipedia.org/wiki/File:Chain_Home_radar_installation_at_Poling,_Sussex,_1945._CH15173.jpg
Один из радаров системы Цепной дом. Полинг, Великобритания 1945 год.
Немцы также создавали масштабные системы. Например, импульсная станция дальнего обнаружения FuMO-52 «Mammut» (1942 г.) с фазированной антенной решёткой (ФАР) длиной волны 2.4 м имела импульсную мощность 200 кВт и дальность обнаружения до 300 км.
Фото в свободном доступе.
Антенна импульсной станции дальнего обнаружения Telefunken FuMO-52 Mammut (Мамонт) 1942 год.
Фото в свободном доступе.
РЛС дальнего обнаружения Gema FuMG-401C Freya LZ — предшественница «Мамонта».
Таких станций было построено сотни, и они сыграли значительную роль в войне.
Итак, мы рассмотрели основные компоненты классического импульсного радара: передатчики, приёмники, индикаторы, антенно-фидерные тракты и системы коммутации. Осталось добавить приводы антенн, чтобы собрать всю систему воедино, что и будет сделано в следующей части статьи.
Первая часть этой статьи здесь
А завершающая здесь
Два предшествующих цикла о радиолокации:
«Как устроен и работает радар. Радиолокация для самых маленьких»
«ФАР простым языком, да с анимашками».
Еще по теме здесь: История.
Источник: Как устроен и работает радар. Классический импульсный. Часть 2.