Закрыть ☒

Как устроен и работает радар. Классический импульсный. Часть 2

Ghjcnj ybrnj, Виталий Каберник и Игорь Галабурда

Пропустим почти тридцать лет, в которые радиолокаторы практически не развивались. То там, то здесь высказывали предположения, ставили целенаправленные опыты или получали случайные, попутные результаты. Но радары, как функционально полное устройство, не создавались. Однако в эти пропускаемые нами годы появилось много радиокомпонентов, опираясь на которые стала бурно развиваться радиотехника. Прежде всего появились усилительные электронные лампы, мощные генераторные лампы, серийные электронные лучевые трубки. Появились многие расчётные методы, хорошо продвинулась теория антенн. Был изобретён целый ряд узлов и блоков импульсной техники, предназначенный для формирования и обработки импульсов различной формы: фантастроны, блокинг-генераторы, триггеры и пр. В 1921 году изобретён прибор для генерации мощных электромагнитных колебаний – магнетрон. Автор патента Альберт Халл из США. В 1924 году на его основе построены мощные генераторы сантиметрового и дециметрового диапазонов. На многие годы он стал безальтернативным прибором для построения мощных передатчиков для этих диапазонов. Сделать из него микроволновку Перси Лебарон Спенсер предложил только в 1945-м.

Коллаж авторов

Многорезонаторный магнетрон. На схеме не показана магнитная система, представляющая собой сильный U-образный магнит. Собственно магнетрон устанавливается между его полюсами, магнитное поле направлено по оси прибора. Принцип работы для краткости описывать не будем, желающим разобраться предлагаем посмотреть здесь.

Развивалась и приёмная техника. Появились новые типы радиоприёмников, высокочувствительные малошумящие лампы с минимизированным микрофонным эффектом (это очень важно для работы со слабыми сигналами), совершенствовались схемы приёмников и передатчиков.

Следующий этап развития радиолокации был подготовлен. И он начался в 1930-х годах. Всплеск интереса к «радиообнаружению» произошёл одновременно во многих странах мира. И этот интерес заметно смещался к обнаружению воздушных объектов. Оставляем за рамками нашего рассказа споры о приоритетах в разработках радаров. Наша тема сегодня – принцип действия одного из их типов – импульсного радара. Можно, наверное, сказать: классического импульсного радара.

Первый практически действующий импульсный радар был построен только в октябре 1938 года французской фирмой Sadir. А до этого в большинстве стран и лабораторий пытались применять непрерывные зондирующие сигналы, которые позволяли за счёт использования эффекта Доплера легко выделять низкочастотные биения между излученным и принятым сигналами и подавать их в головные телефоны оператору. Если приходил отражённый от самолёта сигнал, оператор слышал в наушниках низкочастотный звук. Несмотря на дискретный характер сигналов искрового передатчика Телемобилоскопа, его, пожалуй, тоже следует отнести к непрерывным. И в 60-е годы 20-го века появился радар, объединяющий преимущества непрерывного и импульсного методов радиолокации – квазинепрерывный.

***

Итак, промежуточный итог. По принципу формирования зондирующего сигнала и обработки отклика от цели современные радары можно разделить на три группы: - импульсные, непрерывные и квазинепрерывные. Последние появились значительно позже первых двух.

Об импульсном расскажем в этой статье. Принцип действия «классического непрерывного» радара описан одним из авторов в статье «Дружественный огонь…»

Квазинепрерывные – это наиболее прогрессивные радары. Они применяются, например, в ЗРК С-300/400/500, THAAD и про них чуть позже. Вот как выглядят зондирующие сигналы основных типов радаров:

Рисунок авторов. При перепечатке активная ссылка на публикацию обязательна.

Обратите внимание на густоту красного цвета. Так наглядно демонстрируется рост энергии зондирующих сигналов. В этом смысле наибольшим энергетическим потенциалом обладают радары непрерывного типа, за ними квазинепрерывного. Не погружая читателей в математические дебри, скажем, что и накопление сигнала в приёмных устройствах лучше происходит с непрерывными и квазинепрерывными. А это даёт и бОльшие чувствительность и помехозащищённость.

В Телемобилоскопе сигналы повторялись с частотой, с какой мог нажимать ключ оператор.

В радаре непрерывного типа в эфир излучался просто синусоидальный сигнал, позже его научились модулировать и применять фазово-кодовую манипуляцию (см. Дружественный огонь…), что позволило определять дальность до цели.

В рассматриваемом сегодня радаре импульсного типа излучаются короткие импульсы ЭМ энергии. Дальность до цели в нём определяется по времени «полёта» зондирующего сигнала к цели и обратно. Хитрющие квазинепрерывные радары используют преимущества обоих предыдущих типов.

***

Но посмотрим, что смогли предложить наука и техника 1930-х для построения импульсного радара.

Передатчики.

Шокирующие цифры мощности радаров и систем РЭБ, которыми так любят щеголять диванные эксперты пусть не вводят Вас, читатель, в заблуждение. Напомним, что мощность в одну лошадиную силу, определена как поднятие груза в 75кг на 1м вверх за одну секунду. Если бы бедную лошадку хлестнули сильнее, и она подняла бы этот груз за полсекунды, то развила бы 2 лс. То есть мощность прямо пропорциональна выполненной работе, но обратно пропорциональна времени её выполнения. В этом смысле эксперты часто некорректно сравнивают радары. Например, передатчик ЗРК С-200 имеет всего 3кВт в непрерывном режиме, а передатчик ЗРК С-75 1МВт, но в импульсе. На слух С-75 намного более мощный, но нет, если пересчитать импульсную в непрерывную, то она будет в сотни раз меньше. Просто импульсную для сравнения нужно делить на параметр «скважность» - отношение периода повторения импульса к его длительности.

Импульсные передатчики в ранних импульсных радиолокаторах могли строиться в основном по двум вариантам.

Рисунок авторов. Копирование разрешено

Варианты структурных схем передатчиков импульсных радаров.

1-й вариант. По импульсу запуска передатчика - ИЗП, модулятор формирует из синусоидального напряжения задающего генератора СВЧ короткие (типовое значение 0,5-2 мкс) маломощные импульсы СВЧ (вырезает кусочки синусоиды говоря примитивно), которые поступают на вход усилителя мощности и далее к антенне.

Такой метод реализован в передатчике линии радиолокационных станций Chain Home или «Цепной дом» AMES Type 1 в Великобритании в 1938 году.

Передатчик РЛС «Цепной дом» в Музее противовоздушной обороны Королевских ВВС. Частота 20-30МГц. Длина волны 10-15м. Импульсная мощность 0.8 МВт.

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-й вариант. Модулятор усиливает по напряжению и мощности сам импульс запуска передатчика, после усиления он подаётся на анод магнетрона генератора СВЧ и имеет параметры: напряжение в десятки киловольт, мощность в мегаватты. Фактически, получив анодное питание, магнетрон в режиме самовозбуждения вырабатывает мощные электромагнитные колебания, которые направляются в антенну. Наиболее мощные радиолокационные передатчики делались по этой схеме.

Коллаж авторов

Передатчик станции наведения ракет ЗРК С-75. Импульсная мощность 1МВт, анодное напряжение магнетрона 30кВ.

Приёмники

Сегодня всё многообразие радиоприёмников можно свести всего в 4 типа – прямого усиления, прямого преобразования, регенеративный (здесь же и сверхрегенеративный) и супергетеродинный. Все эти типы имеют подтипы, варианты и пр.

Когерерные приёмники эпохи зарождения радиосвязи и чуть более поздние детекторные — это экзотика.

Не станем грузить Вас рассмотрением всех этих типов. В радиолокации самое широкое распространение получили супергетеродинные приёмники.

Обратите внимание: Как случай в жизни изменил классический дизайн столового предмета.

В 1918 году такую схему предложил Эдвин Армстронг.

В чем суть супергетеродинного приёмника? В нём используется преобразование принимаемого сигнала в сигнал фиксированной промежуточной частоты (ПЧ) с последующим его усилением. Основное преимущество супергетеродина перед приёмниками других типов в том, что наиболее критичные для качества приёма части приёмного тракта не должны перестраиваться по частоте, что позволяет сделать их более эффективными и при этом простыми, надёжными.

Рис авторов. Копировать разрешено

Структурная схема супергетеродинного приёмника

Гетеродин — это маломощный генератор синусоидальных колебаний. Они, вместе с предварительно усиленным входным сигналом подаются на смеситель. На его выходе получаются напряжения с частотами, равными сумме и разности частот сигнала и гетеродина.

Полосовой фильтр выделяет колебания разностной частоты, которую и называют промежуточной. Изменяя настройку гетеродина, например переменным конденсатором, мы можем выбрать нужную нам радиостанцию. При этом сам тракт ПЧ будет оптимизирован именно для этой фиксированной частоты, что позволяет получать огромные коэффициенты усиления.

Индикаторы

Импульсный радар впервые позволил чётко определять дальность до цели.

Скорость света 300 000 000 метров в секунду, или 300 метров в микросекунду, если берём время «туда-обратно», то получаем, что одна микросекунда эквивалентна 150 м дальности. Построим индикатор дальности на основе электронной лучевой трубки, а что ещё можно было использовать в тридцатые-то годы прошлого века(?), по принципу осциллографа. Развёртка нашего осциллографа-индикатора запускается одновременно с началом излучения передатчика. Все эхо-сигналы будут давать на протяжении развёртки отметки в месте, соответствующем времени распространения излучения к цели и отраженного сигнала к радиолокатору. Таким образом мы можем видеть дальность непосредственно на индикаторе. Откалибруем его в км. Закроем ЭЛТ металлической маской с окошком. Устройство готово.

Рисунок авторов. При перепечатке активная ссылка на данную публикацию обязательна

Индикатор дальности на осциллографической трубке.

Так выглядела бы ситуация, если бы антенна всё время была направлена точно на цель. Но это невозможно, поэтому используется её вращение или сканирование луча в небольшом секторе. Если мы установим начало развёртки дальности в центр большой электронной лучевой трубки и будем вращать её синхронно с антенной, то получим на экране вот такую картину. Такой индикатор принято называть ИКО – индикатор кругового обзора.

Рисунок авторов. При перепечатке активная ссылка на данную публикацию обязательна.

Индикатор кругового обзора а электронной лучевой трубке.

Поскольку частота импульсов запуска передатчика достаточно велика (типовое значение 1000Гц), то за время прохождения луча по цели мы получим несколько десятков импульсов эха. На экране они сольются в дужку. Размер и яркость дужки будут зависеть от размеров и ЭПР цели.

Вот вид реального ИКО РЛС

Коллаж авторов

Вид индикатора кругового обзора РЛС 5Н87. Отражение учебного налёта.

Антенны и фидеры

В мощных радиолокационных системах от миллиметрового до дециметрового диапазонов волн для передачи электромагнитной энергии используются не провода или кабели, а волноводы. Грубо говоря это «трубы», по которым течёт ЭМ энергия. Они могут иметь прямоугольное или круглое сечение, заполнены осушенными газами или вакуумированы. Для метрового диапазона и не самых больших мощностей уже применимы коаксиальные кабели.

Коллаж авторов

Коаксиальные кабели и волноводы.

Импульсный радиолокатор излучает зондирующий сигнал и принимает эхо-сигнал неодновременно. Это позволяет использовать волноводы, идущие из аппаратного контейнера к антенне и саму антенну и для передачи, и для приёма. Но разница между излучаемой мощностью в мегаватты и принимаемой в микроватты огромна. Поэтому приёмник нужно защищать от передатчика. Кроме того, для настроек и тренировок на военных, да и не только, РЛС иногда используется устройство, называемое «эквивалент антенны», чтобы не выходить лишний раз в эфир. Здесь уже нужен переключатель «антенна-эквивалент».

Эти переключения выполняет устройство, называемое антенный переключатель. На сегодня их существует множество видов, на ферритах, PIN диодах, газоразрядниках, гираторные. Исторически первыми для защиты приёмников были применены газоразрядники. Они были известны ещё со времён ранних исследований молний, защищали телефонные и телеграфные линии. А переключение антенн в случае необходимости, неспешно делалось переконфигурацией волноводов вручную или электроприводом. Вот схема классического антенного переключателя на газоразрядных приборах с механическим переключением волноводов.

Рисунок авторов

Антенный переключатель на газовых разрядниках

При выработке мощного высокочастотного импульса зажигаются оба разрядника, но один пропускает электромагнитную энергию в антенну, другой шунтирует (блокирует) вход приёмника. По окончанию импульса разрядники гаснут, и принимаемая ЭМ энергия поступает в приёмник.

Англичане в первом своём импульсном радаре «Цепной дом» в 1938 году не стали заморочиваться использованием таких устройств. Они просто разнесли передающие и приёмные антенны на сотни метров. Выглядит впечатляюще. Но только благодаря несовершенным антеннам.

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. Слева три стальные 360-футовые мачты передающих антенн. В центре треугольника бетонное укрытие для зала передатчиков. Справа четыре деревянные 240-футовые мачты ромбических приёмных антенн. В центре между ними здание приемных устройств.

Такие радары были развёрнуты уже к 1940-му году по западному побережью Великобритании.

Не сильно отставали по части гигантизма от британцев немцы.

Фото в свободном доступе

Так выглядела антенна импульсной станции дальнего обнаружения Telefunken FuMO-52 Mammut (Мамонт) 1942 год.

Она работала в секторе +-55градусов по азимуту. Длина волны 2.4м. Мощность в импульсе 200кВт. Дальность обнаружения бомбардировщика 300км. Обратите внимание – это ФАР. Станция построена на основе схемотехники очень удачной РЛС Freya

Фото в свободном доступе

РЛС дальнего обнаружения воздушных целей Gema FuMG-401C Freya LZ (Фрейя – в германо-скандинавской мифологии богиня любви и войны, для них это непротиворечиво). Длина волны 2м, мощность в импульсе 10кВт, дальность обнаружения бомбардировщика 300км при высоте 8000м. Антенна этой РЛС также представляет собой фазированную антенную решётку.

Таких станций было построено за время войны 584. Но кроме того были сотни станций на её основе.

Итак, мы рассмотрели почти все основные составляющие импульсного радара. Нужно добавить только про приводы (приводА - на сленге профи) и можно собрать их воедино - построить классический импульсный радар. Мы сделаем это 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.