5.10. Радиопередающие устройства РЛС
5.10.1. Назначение и характеристики радиопередающих устройств РЛС
Радиопередающее устройство (РПУ) РЛС представляет собой комплекс оборудования, предназначенный для формирования и излучения радиолокационных сигналов. В РПУ происходят три основных процесса:
- генерация колебаний сверхвысокой частоты (СВЧ), т. е. их создание;
- усиление колебаний СВЧ до необходимой мощности;
- управление параметрами колебаний СВЧ (амплитудой, частотой или фазой) в соответствии с передаваемой информацией - модуляция .
Структура и функции передатчика определяются требованиями, предъявляемыми к нему. Требования к передатчикам РЛС во многом сходны, во всех станциях необходимо сформировать зондирующий сигнал (ЗС):
- на заданной несущей частоте (частотах);
- с заданным законом (законами) модуляции;
- с заданной мощностью.
Следовательно, во всех РПУ использован сходный принцип построения (рис. 1).
Возбудитель это задающий генератор, который обеспечивает формирование стабильного по частоте непрерывного сигнала малой мощности с параметрами fв и Рв. Основными факторами, влияющими на выбор схемы возбудителя для конкретного РПУ, являются: частотный диапазон и требования к стабильности частоты передатчика, а также количество рабочих частот передающего канала.
Модулятор это функциональный узел обеспечивающий усиление сигнала возбудителя и ввод в него заданного закона модуляции или его части (например, модулятор обеспечивает изменение частоты сигнала, а преобразование непрерывного сигнала в импульсный осуществляется в последующих каскадах РПУ). Основными факторами, влияющими на выбор схемы модулятора для конкретного РПУ, являются: требуемый закон или законы модуляции ЗС, требования к стабильности частоты передатчика, возможности РПУ по перестройке частоты.
Усилитель мощности это функциональный узел обеспечивающий основное усиление сигнала по мощности и в некоторых случаях формирование импульсов из непрерывных колебаний. Основными факторами, влияющими на выбор схемы усилителя мощности для конкретного РПУ, являются: требуемый закон модуляции ЗС, требования к выходной мощности РПУ, возможности РПУ по перестройке частоты.
Для доплеровских РЛС важной характеристикой радиопередающего устройства является стабильность частоты формируемых колебаний. В первую очередь она зависит от параметров задающего генератора, который может обеспечить достаточно высокую стабильность только при небольшой отдаваемой мощности.
Для повышения стабильности частоты задающий генератор проектируют иногда на более низкой частоте, чем та, на которой работает передатчик. В этом случае вводят дополнительные каскады для умножения частоты.
Для описания РПУ применяются следующие технические характеристики передатчиков:
1) Мощность на выходе Рвых (Ризл) - это мощность, которая развивается на выходе передатчика, от Вт до МВт.
Для импульсных РПУ
Ри – импульсная мощность;
Рср = Ри/Qc – средняя мощность (Qc =Тп/tи- скважность сигнала);
Эс – энергия сигнала:
для одиночного импульса Эс = Эи = Ри tи;
для пачки импульсов Эс = М Эи (М – количество импульсов в пачке).
Для непрерывных РПУ
энергетический параметр - Рср.
2) Частота f 0 или диапазон частот f1 – f n работы РПУ, который может находится в пределах от 0,3 до 10 ГГц;
3) Допустимая степень отклонения частоты в абсолютных
Df = fном - fраб или относительных e = Df / fном единицах, (е = 10-6 - 10-8)
4) Коэффициент полезного действия - отношение мощности на выходе передатчика Рвых к полной мощности, потребляемой от источника питания Рпит .
h = Рвых / Рпит.
Высокий КПД позволяет сделать более экономичной систему охлаждения, а также увеличить надежность работы.
К основным эксплуатационным характеристикам передатчиков относятся:
Электромагнитная совместимость (ЭМС ) - это возможность совместной работы радиоэлектронной аппаратуры с другой аппаратурой, не создавая мешающих радиоизлучений.
Надежность работы, которая оценивается средним временем или вероятностью безотказной работы. Эта характеристика зависит как от выбранной структурно-функциональной схемы передатчика, так и от надежности отдельных элементов схемы, их количества, облегченных режимов работы наиболее важных элементов, в особенности электронных приборов. Главным направлением повышения надежности является использование интегральной техники, а также дублирование и резервирование наименее надежных элементов или целых узлов передатчика.
Габариты и масса передатчика. Линейные размеры, занимаемый объем, а также масса часто являются одними из основных характеристик передатчиков, устанавливаемых на вооружении и военной технике.
Ремонтопригодность , определяющая характер устранения неисправностей, т.е. возможность замены элементов, целых блоков или передатчика в целом.
К основным производственно - экономические характеристикам передатчиков относятся: стоимость, сроки морального износа, соответствие мировым стандартам, степень унификации и т.д.
5.10.2. Радиопередающие устройства РЛС с непрерывным ЗС
Используется в РЛС обнаружения на малых высотах на дальности прямой видимости в условиях постановки противником помех. Диапазон длин волн – сантиметровый.
Основные требования, предъявляемые к радиопередающему устройству (РПУ):
- формирование зондирующего сигнала (ЗС) двух видов: немодулированный непрерывный сигнал и непрерывный сигнал с линейной частотной модуляцией;
- высокая энергия формируемых сигналов, средняя мощность должна составлять единицы киловатт;
- высокая стабильность частоты ЗС для измерения радиальной скорости;
- возможность быстрой смены номинала частоты ЗС в целях повышения скрытности работы и помехоустойчивости РЛС.
Задающий генератор формирует сигнал опорной частоты, из которой в модуляторе 2 создается сетка литерных частот. Количество литерных частот от 4 до 6. Параметры модуляции задаются сигналом Модулятором 2. Задающий генератор и двухкаскадный модулятор реализованы на последовательно включенных отражательном клистроне, преобразователе частоты и пролетном двухрезонаторном клистроне.
Фильтр формируемых частот позволяет выделить для дальнейшей работы необходимую литерную частоту. Это устройство может быть выполнено в виде механически переключаемых волноводных секций, каждая из которых настроена на определенную резонансную частоту. Таким образом, на его выходе появится сигнал одной выбранной литерной частоты.
Усилитель мощности в данном случае может работать с сигналами, частота которых находится в допустимом диапазоне. При необходимости может быть использовано несколько усилителей, работающих в разных диапазонах частот.
Усиленный сигнал поступает в антенное устройство, с помощью которого формируется луч диаграммы направленности, в пределах которого и происходит излучение сформированной в передатчике электромагнитной энергии.
5.10.3. Радиопередающие устройства РЛС с импульсным ЗС
Используется в РЛС обнаружения на средних и больших высотах на максимально возможных дальностях в условиях постановки противником помех. Диапазон длин волн – дециметровый.
Основные требования, предъявляемые к радиопередающему устройству (РПУ):
- формирование импульсного зондирующего сигнала (ЗС) двух видов: простой прямоугольный радиоимпульс и радиоимпульс с линейной частотной модуляцией;
- высокая энергия формируемых сигналов, импульсная мощность должна составлять сотни киловатт, средняя - десятки киловатт;
- точное согласование параметров ЗС и характеристик оптимального фильтра приемного устройства;
- возможность быстрой смены номинала частоты ЗС в целях повышения скрытности работы и помехоустойчивости РЛС;
- резервирование каскадов РПУ, для повышения надежности.
Особенностью радиопередающего устройства станции обнаружения целей на средних и больших высотах является необходимость формирования целого набора частот сигналов для обеспечения излучения в различных режимах работы РЛС.
Задающий генератор на кварцевых генераторах и умножителях частоты формирует набор сигналов различных частот. Из полученного набора сигналов формирователь сигнала возбудителя выделяет сигнал на необходимой несущей частоте f возб , соответствующий текущему режиму работы РЛС. Закон модуляции ЗС формируется с помощью того же фильтра, который применяется для обработки принятого сигнала в приемнике, что позволяет достичь точного соответствия параметров ЗС и устройства его обработки.
Далее этот сигнал проходит через каскады усиления. Каждый каскад представляет собой управляемый модулятором импульсный усилитель мощности. В результате работы усилительного каскада на его выходе формируется набор импульсных сигналов излучения в соответствии с режимом работы станции. Входные каскады усилителя мощности собраны на ЛБВ, оконечные на амплитронах.
Волноводные переключатели выполняют роль маршрутизаторов излучаемого сигнала. В одном случае сигнал может миновать четвертый каскад усиления, в другом случае этот сигнал может быть направлен либо в нагрузку (передающий рупор) для излучения, либо в эквивалент нагрузки для работы без выхода в эфир.
5.10.4. Радиопередающие устройства многофункциональной РЛС
Радиопередающее устройство (РПУ) станции наведения ракет, также как и радиопередающее устройство станции обнаружения целей на средних и больших высотах работает в импульсном режиме. Вариант такого передатчика представлен на рисунке 4.
К РПУ многофункциональной РЛС управления стрельбой в условиях постановки противником помех предъявляется ряд дополнительных требований:
- формирование различных видов сигналов:
при поиске и визировании цели КППРИ;
при захвате и визировании ракеты пачка запросных импульсов;
при передаче команд управления на борт ракеты их импульсный
код;
при подсвете цели для бортовой аппаратуры ракеты одиночные
радиоимпульсы большой длительности;
- высокая энергия формируемых сигналов, средняя мощность должна составлять единицы киловатт;
- высокая стабильность частоты ЗС для измерения радиальной скорости;
- возможность быстрой смены номинала частоты ЗС в целях повышения скрытности работы и помехоустойчивости РЛС;
- резервирование каскадов РПУ, для повышения надежности.
Диапазон длин волн – сантиметровый.
Задающий генератор СВЧ (возбудитель), обеспечивает формирование стабильного по частоте непрерывного сигнала малой мощности с параметрами fв и Рв. Реализован на пролетном двухрезонаторном клистроне.
Модулятор это функциональный узел обеспечивающий усиление сигнала возбудителя и ввод в него заданного закона модуляции, модулятор обеспечивает изменение частоты сигнала, а преобразование непрерывного сигнала в импульсный осуществляется в последующих каскадах РПУ. Реализован на пролетном многорезонаторном клистроне.
Усилитель мощности это функциональный узел обеспечивающий основное усиление сигнала по мощности и формирование импульсов из непрерывных колебаний. Реализован на пролетном многорезонаторном клистроне.
В РЛС для компенсации уходов частоты РПУ fв подается на РПрУ в качестве гетеродинного сигнала.