УЧЕБНИК САРП100

Зондирующий сигнал с выхода передатчика поступает в антенный переключатель, обеспечивающий во время излучения зондирующего импульса шунтирование входа приемника. Зондирующие импульсы по антенно-волноводному тракту поступают на вход антенны. Антенна излучает сигналы. Следящий привод вращает антенну в азимутальной плоскости

иобеспечивает измерение текущего азимута относительно выбранной линии отсчета (диаметральной плоскости судна или направления на север).

Отраженные сигналы от цели поступают на вход антенны

идалее по волноводной линии на вход приемника. Антенный переключатель открывает вход приемника во время пауз между излученными импульсами и, напротив, шунтирует выход передатчика, для того чтобы избежать ненужных потерь принимаемых эхо – сигналов.

Сигналы в приемнике усиливаются, селектируются от помех и после детектора поступают на вход визуального индикатора для последующей обработки. Сигналы управления приемником и визуальным индикатором, как отмечалось выше, формируются в синтезаторе частот задающего генератора.

На экране визуального индикатора отображаются навигационные параметры целей, обнаруженных радиолокатором.

Блок питания формирует нужные номиналы напряжений с требуемой мощностью для питания узлов РЛС.

Частотные диапазоны, выделенные для радиолокации, представлены в табл. 3.1.

Таблица 3.1

	Наименование	Диапазон частот, ГГц		Диапазон длин волн, см
	диапазона
	СВЧ	3...	3,6	10...	8,3
	СВЧ	5,25...	5,85	5,7...	5,1
	СВЧ	8,5...	10,7	3,5...	2,8
	СВЧ	13,4...	14,0	2,23...	2,14
	СВЧ	15,7...	17,7	1,97...	1,7
	КВЧ	33,4...	36,0	0,9...	0,8

51

Описания отдельных узлов и устройств, которые приводятся ниже, связаны с особенностью использования в радиолокации диапазонов СВЧ и КВЧ.

Конструкция и основные параметры фидерного тракта

В верхней части диапазона ВЧ, диапазонах ОВЧ, УВЧ (10...3000 МГц) с целью уменьшения потерь энергия передается по фидерному тракту: по двухпроводной линии специальной конструкции, называемой коаксиальным кабелем.

Конструкция гибкого коаксиального кабеля состоит из внутреннего проводника, коаксиально расположенного относительно внешнего проводника (рис. 3.2).

Рис. 3.2

Внутренний проводник из медного провода имеет небольшой диаметр и отделен высокочастотной изоляцией от внешнего проводника, который выполняется в виде оплетки из тонких медных проволок, покрываемых иногда слоем серебра или олова.

Высокочастотная изоляция между проводниками может иметь несколько охватывающих друг друга слоев.

Для защиты внешнего проводника от механических повреждений оплетка кабеля покрывается оболочкой из пластмассы.

Коаксиальный кабель перед обычной двухпроводной линией имеет ряд преимуществ:

• отсутствует излучение энергии в окружающее пространство;

52

•обеспечивается экранирование внутреннего проводника от внешних электромагнитных полей;

•гарантируется высокая стабильность параметров тракта. Важным преимуществом является также и то, что в коакси-

альном кабеле ток высокой частоты проходит только по внутреннему проводнику и внутренней поверхности оплетки внешнего проводника. Поэтому внешняя поверхность оплетки имеет нулевой потенциал, что упрощает технологию производства работ скабелем.

В табл. 3.2 приведены основные данные некоторых марок коаксиальных кабелей для частот 10, 30, 300 МГц.

Таблица 3.2

		Волновое	Погонная	Погонное затухание ,			Рабочее
	Марка	сопро-			дБ/м		Напря-
			емкость,
	кабеля	тивление		Частота, МГц			жение,
			пФ/м
		ρ, Ом		10	30	300	КВ
	РК-1	75	66	0,029	0,123	0,2	3
	РК-2	92	55	0,022	0,087	0,149	4,5
	РК-3	75	68	0,017	0,07	0,13	5,5
	РК-6	50	101	0,016	0,05	0,12	4,5
	РК-19	50	96	0,056	0,15	0,32	1
	РК-20	75	78	0,022	0,087	0,149	1
	РК-31	70	85	0,055	0,19	–	5

Из табл. 3.2 видно, что с ростом частоты затухание коаксиального кабеля возрастает.

В табл. 3.3 приведены основные параметры для коаксиальных кабелей, работающих на частотах 3; 10 ГГц.

Из-за больших затуханий на частотах 3; 10 ГГц коаксиальные кабели используются лишь малой длины: для межблочного монтажа, подключения приборов, возбуждения волноводов и пр.

Максимальная мощность, передаваемая по коаксиальному кабелю,

P	= 2E 2	d 2 ln	D	,	(3.1)
max	max		d

53

		кВ
где –	Emax		максимальная напряженность пробоя при
		см

нормальных атмосферных условиях; d – диаметр внутреннего проводника; D - внутренний диаметр внешнего проводника.

Таблица 3.3

	Волновое		Затухание, дБ/м,			Максималь-
Тип	сопротивле-		на частоте, ГГц		Наружный
						ный радиус
кабеля	ние				диаметр, мм
			f = 3	f = 10		изгиба, мм
	ρ, Ом
РК-50-4-11	50		1,25	3,0	9,6 ± 0,6	50
РК-50-7-11	50		0,75	1,85	10,3 ± 0,6	50
РК-75-4-11	75		1,0	2,35	7,3 ± 0,4	40
РК-50-9-11	50		0,65	1,75	12,2 ± 0,8	60
РК-75-17-12	75		0,24	-	21 ± 0,8	150
РК-50-2-11	50		2,8	6,0	4 ± 0,3	20
РК-75-9-13	75		0,45	1,2	12,2 ± 0,8	60
РК-50-9-12	50		0,6	1,5	12,2 ± 0,8	60
РК-50-17-12	50		0,38	–	21 ± 1,4	300
РК-50-7-21	50		0,65	1,5	8,9 ± 0,5	50
Рабочая мощность выбирается в пределах
	Pраб		= (0,2...0,4)Pmax .			(3.2)

Бегущие и стоячие волны при передаче энергии

Сопротивление, приходящееся на единицу длину бесконечной двухпроводной линии, выполненной в виде коаксиального кабеля, носит название волнового сопротивления

	ρ =	L1	,	(3.3)
		C
		1

где L1, C1 – индуктивность и емкость на единицу длины линии. При соотношении d/D=0,28 волновое сопротивление ρ=75 Ом.

54

В зависимости от соотношения между сопротивлением нагрузки и волновым сопротивлением линии при передаче высокочастотной энергии в линии устанавливается бегущая или стоячая волна или одновременно оба вида волн.

Режим бегущей волны возникает, если сопротивление нагрузки равно волновому сопротивлению линии.

Это наиболее благоприятный режим для передачи энергии. Режим стоячей волны возникает, если линия замкнута или

разомкнута на конце.

Если линия замкнута на активное сопротивление не равное волновому, то в линии существуют и бегущие и стоячие волны.

Так же, как и при распространении электромагнитных волн в свободном пространстве, при передаче энергии вдоль линии в режиме бегущей волны фаза высокочастотных колебаний по мере удаления от генератора соответственно отстает. Амплитуда остается постоянной или уменьшается, если в линии есть потери. При отсутствии потерь справедливо

	ux =U m sin(ωt −	ωx ) =U m sin(ωt −	2π	x) , (3.4)
			λ
		C

где Um – амплитуда напряжения генератора, ω – угловая час-

тота; λ – длина волны; x – удаление от начала линии; С – скорость распространения волн.

В режиме стоячей волны в линии без потерь устанавливаются синусоидальные колебания с одинаковой фазой во всех точках линии и с амплитудой, непрерывно изменяющейся вдоль линии от нуля (узел) до максимума (пучность) и наоборот, причем места расположения узлов и пучностей не изменяются во времени.

Аналитическое представление стоячей волны имеет вид

ux	= 2Um cos	2π	x cosωt .	(3.5)
		λ

В режиме стоячей волны энергия полностью отражается от нагрузки к генератору, т. е. передача энергии отсутствует.

55

Отметим, что если в режиме бегущей волны ток и напряжение на любом удалении от генератора совпадают по фазе, то в режиме стоячей волны между напряжением и током существует сдвиг по фазе на 90о. Полезная активная мощность в этом случае

Pa,x = I xU x cosϕ = 0,	(3.6)
где I x,U x – амплитуды тока и напряжения на удалении	x от
начала линии.

Для стоячих волн характерен сдвиг по фазе между напряжением и током во времени и в пространстве. Последнее означает, что в точках линии с пучностями напряжения наблюдаются узлы тока и наоборот.

Для получения условий максимальной передачи мощности в антенну или приема из антенны всегда стремятся к получению режима бегущей волны.

Применяют меры по согласованию сопротивлений генератора колебаний с линией, линии с антенной, линии с приемником. Согласование генератора с линией заключается в том, что с помощью согласующего элемента линия с учетом нагрузки создает для генератора активное сопротивление, численно равное оптимальному эквивалентному сопротивлению колебательной системы генератора.

Согласование линии с антенной осуществляется так, что с помощью согласующего устройства антенна представляет для линии активное сопротивление равное волновому.

Согласование линии с приемником обеспечивается равенством входного сопротивления приемника волновому сопротивлению линии.

Наиболее часто применяемыми согласующими устройствами являются:

•четвертьволновый шлейф;

•двухшлейфовый трансформатор.

Здесь под шлейфом понимается отрезок длинной линии.

56

Все согласующие линии можно считать идеальными, т. к. длина их мала по сравнению с длиной основной линии и потери в согласующих устройствах весьма малы.

Четвертьволновый шлейф представляет собой отрезок коаксиального кабеля, геометрическая длина которого равна четверти длины волны.

Для согласования линии с нагрузкой, например с антенной, волновое сопротивление четвертьволновой линии ρ′должно быть равно среднему геометрическому между волновым сопротивлением основной линии ρ1 и сопротивлением нагрузки

R2:

ρ′= ρ1 R2 .

(3.7)

Входное сопротивление четвертьволновой линии с волновым сопротивлением ρ′, если сопротивление нагрузки R2, определяется выражением

ρ =	(ρ′)2	= ρ		,	(3.8)
			1
‘	R2

т. е. волновое сопротивление основной линии будет равняться сопротивлению нагрузки с учетом четвертьволновой вставки

(рис. 3.3).

Рис. 3.3

Если сопротивление нагрузки имеет комплексный характер, а активная часть нагрузки не равна волновому сопротивлению линии, то для согласования основной линии с

57

нагрузкой используется двухшлейфовый трансформатор

(рис. 3.4).

Рис. 3.4

Оба короткозамкнутых шлейфа ШЛ1 и ШЛ2 имеют чисто реактивное входное сопротивление и не могут изменить активную составляющую сопротивления нагрузки. Однако при регулировании длины второго шлейфа ШЛ2 меняется значение активной и реактивной составляющей нагрузки в месте подключения первого шлейфа ШЛ1. Добиваются равенства волновой проводимости основной линии 1/ρ и активной составляющей входной проводимости 1/Rвх в сечении, где подключается первый шлейф. Регулированием первого шлейфа добиваются согласования и реактивных проводимостей в этом же сечении шлейфа.

Конструкция и основные параметры волноводного тракта

В сантиметровом диапазоне волн передача высокочастотной энергии (с целью исключения излучения энергии в окружающее пространство) осуществляется по волноводному тракту, состоящему из волноводов специальной конструкции.

Конструкция волновода проста. Волновод – это полая металлическая труба с прямоугольным или круглым сечением. Внутренняя поверхность волновода тщательно полируется и

58

покрывается хорошо проводящим металлом. Обычно внутренние стенки серебрят.

Волновод обладает всеми преимуществами коаксиального кабеля. К дополнительным преимуществам волновода относятся:

•отсутствие потерь в диэлектрике;

•меньшее погонное затухание передаваемой мощности;

•большая пропускаемая мощность.

Недостаток волновода – невозможность передавать электромагнитную энергию на длине волны большей, чем, так называемая, критическая длина волны. Критическая длина волны зависит от размеров сечения волновода. Однако этот недостаток нельзя считать существенным, т. к. РЛС работает на фиксированной длине волны, с учетом которой выбираются внутренние размеры волновода.

Критическая длина волны для волновода с прямоугольным сечением определяется по формуле:

	λкр =				2				,	(3.9)
		m			2	n 2
						+
		a				b

где а – размер широкой стенки волновода, b – размер узкой стенки волновода,

m, n – число стоячих полуволн по широкой и узкой стенке волновода.

От числа стоячих полуволн зависит вид (мода) передаваемой по волноводу волны.

Для простейшего вида волны, когда m = 1; n = 0 для прямоугольного волновода (рис. 3.5) справедливо

λ кр =2a,

(3.10)

если a>b.

Размер узкой стенки волновода b выбирается в зависимости от величины мощности, передаваемой по волноводу. Условие для предельной передаваемой мощности – отсутствие пробоя узкой стенки.

59

Рис. 3.5

Размер узкой стенки для простейшей волны, когда n = 0, не влияет на критическую длину волны, и поэтому возможно при малой передаваемой мощности уменьшать сечение волновода и тем самым обеспечивать передачу энергии при минимальных поперечных размерах волновода.

Практически длина волны λ и размеры волновода для простейшего вида волны, когда m = 1, n = 0, выбираются из соотношения:

λ =0,7λ кр ; b=1/2 a.	(3.11)
Для круглого волновода для простейшей волны
λкр =1,7d,	(3.12)

где d – диаметр внутреннего сечения волновода.

Прямоугольные волноводы используются на судах при прокладке линий передачи высокочастотной энергии от антенны РЛС к приемопередатчику.

Круглые волноводы используются там, где необходимо сочленить вращающееся соединение одной части линии с другой, в частности, в конструкции сочленения волновода с вращающейся антенной РЛС.

В табл. 3.4 приведены основные параметры для прямоугольных волноводов разных сечений, выполненных из меди.

Сравнение данных табл. 3.2 и табл. 3.4 показывает, что на частоте 9000 МГц (λ = 3,3 см) погонное затухание волновода соизмеримо с погонным затуханием коаксиального кабеля на частоте 300 МГц.

60