Применение магнетронных генераторов большей мощности в радиолокационных системах

Коаксиальные магнетроны имеют и другие существенные преимущества. Накопление значительной энергии в коаксиальном высокодобротном резонаторе повышает собственную добротность Qo всей системы и стабильность частоты генерируемых колебаний. Степень затягивания частоты F3 может быть при этом значительно снижена за счет уменьшения связи с нагрузкой и повышения внешней добротности Q0 при одновременном улучшении к. п. д. резонаторной системы.

Рисунок 1.10 - Схема устройства коаксиального магнетрона: 1 -магнетронные резонаторы, 2--щели связи, 3--наружная стенка коаксиального резонатора; 4 -- поршень механической настройки; 5--вывод энергии (прямоугольный волновод)

Далее, благодаря улучшению разделения видов колебаний возможна работа при меньшей амплитуде высокочастотного напряжения в пространстве взаимодействия, что приводит к повышению электронного к. п. д. Существуют и другие достоинства магнетронов коаксиального типа, что позволяет отнести их к числу перспективных направлений развития магнетронных генераторов.

Устройство типичных коаксиальных и волноводных выводов энергии показано на рис. 1.11 и 1.12. Петля вводится обычно в один из резонаторов в области максимума СВЧ магнитного поля. Основная трансформация сопротивления, определяющая величину QBH, осуществляется в зависимости от размеров петли.

Рисунок 1.11 - Коаксиальные выводы энергии магнетронов малой и средней мощности 10-см диапазона: 1--петля, 2, 3 -- наружный и внутренний проводники коаксиальной линии; 4 -- стекло; 5--медь; 6-- ковар

Коаксиально-волноводные выводы энергии, жестко скрепляемые с магнетронами, применяются при умеренной мощности в коротковолновой части сантиметрового диапазона. При более высоких мощностях, а также при более коротких волнах используют в основном волноводные выводы. Между стандартным прямоугольным волноводом и анодным блоком обычно включается четвертьволновый волноводный трансформатор (рис. 1.12), понижающий сопротивление нагрузки в 100--200 раз. В качестве трансформаторов используются также многоступенчатые четвертьволновые и экспоненциальные переходы.

Рисунок 1.12 - Волноводный вывод энергии магнетрона 3-см диапазона с одноступенчатым четвертьволновым трансформатором: 1--анодный блок, 2 -- трансформатор, 3--круглое стеклянное или керамическое окно; 4 -- дроссель; 5--выходной фланец

Катод играет значительно большую роль в работе магнетронов, чем в работе большинства других электронных приборов СВЧ. Длина и диаметр катода необращенного магнетрона имеют пределы ввиду ограничений, накладываемых на высоту анодного блока lа, диаметр анода dэ и отношение . Требования к удельной эмиссии становятся особенно высокими. Если в 10-см диапазоне типичная величина эмиссии с катода магнетрона в импульсе составляет 10 a/см2, то в 3-см диапазоне требуемая плотность тока доходит примерно до 30 а/см2. С дальнейшим укорочением волны происходит соответствующий рост требуемой эмиссии. К катоду магнетрона предъявляется дополнительное требование -- способность работать с достаточным сроком службы в условиях значительной обратной бомбардировки. Значительную роль в работе магнетрона играет вторичная электронная эмиссия с катода. В связи с этим к материалу катода предъявляется также требование высокой вторичной эмиссии.

Основное назначение современных импульсных магнетронных генераторов -- передатчики радиолокационных станций и других радиотехнических устройств, в том числе линий импульсной связи, радиоотелеметрических систем, маяков и т. п.

Устройство двух типичных импульсных магнетронов приведено на рис. 1.13 и 1.14.

Рисунок 1.13 - Устройство типичного импульсного ненастраиваемого магнетрона 10-см диапазона: 1 -- анодный блок, 2 -- катод, 3 -- петля вывода энергии, 4-- двойные кольцевые связки, 5--коаксиальный вывод энергии, 6--боковые крышки; 7--вывод катода и накала 8---вывод накала 9--трубка для откачки; 10 --ковар; 11--стекло

Магнетроны находят также применение в качестве мощных генераторов, питающих линейные электронные ускорители. Магнетроны непрерывного режима все более широко применяются в установках промышленного и бытового СВЧ нагрева.

Диапазон мощностей импульсных магнетронов составляет от десятков ватт до 10 Мвт. Магнетроны непрерывного режима выпускаются на мощности от долей ватта до нескольких десятков киловатт.

Устройство митрона и схема его включения представлены на рис. 1.15. В этом приборе катод вынесен из пространства взаимодействия и расположен вдоль оси на одном из торцов

Рисунок 1.14 - Устройство типичного импульсного магнетрона 3-см диапазона (без постоянных магнитов). В более крупном масштабе изображено устройство катода, связок и анодного блока: 1- анодный блок с радиатором, 2-полюсный наконечник; 5 - катодная ножка, 4- катод; 5- окно вывода энергии; 6-связки; 7-Н-образный четвертьволновый трансформатор; 8-пермендгоровые наконечники

Катод окружен коническим дополнительным анодом -- управляющим электродом, образующим вместе с катодом магнетронную пушку типа Кайно--Тейлора. Вместо катода внутри резонаторной системы расположен цилиндрический неэмиттирующий отрицательный электрод ("холодный катод"), создающий в пространстве взаимодействия постоянное радиальное электрическое поле, как в обычном магнетроне.

Электронный поток, имеющий вид полой трубки, инжектируется в пространство взаимодействия митрона и взаимодействует с полем -вида колебаний. При Uа1 = const (см. рис. 1.15) постоянное анодное напряжение Uа практически не влияет на величину анодного тока, что позволяет использовать в "чистом виде" явление электронной настройки магнетронов. Для реализации широкого диапазона электронной настройки нагруженная добротность резонаторной системы снижается до 2--10. В митроне, изображенном на рис. 1.15, использована встречно-штыревая система, соединяемая двумя металлическими кольцами с внешним низкодобротным резонатором. С помощью митронов получают диапазон электронной настройки, доходящий до одной октавы при малой генерируемой мощности.

Рисунок 1.15 - Устройство магнетрона, настраиваемого напряжением: 1 -- накаленный катод; 2 -- отрицательный электрод; 3--конический управляющий электрод; 4-- анодные ламели (система встречных штырей); 5--керамика; 6 -- анодные кольца для включения внешней части резонатора; 7 -- наружный резонатор

Таким образом, митроны могут успешно конкурировать с лампами обратной волны типа О. Дополнительным преимуществом магнетронов, настраиваемых напряжением, является высокий к. п. д.

Вывод На основе анализа рассмотренных магнетронов можно в приемопередатчиках необходимо использовать импульсные магнетроны.

2 ТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Назначение и состав радиоаппаратуры для экспериментальных исследований

Радиолокатор "Гроза" обеспечивает радиолокационный обзор земной поверхности, обнаружение опасных для самолёта гидрометеообразований (грозы, мощнокучевая облачность и т. д.), измерение угла сноса самолёта и коррекцию бортового навигационного вычислителя. В состав радиолокатора входят следующие основные блоки:

- антенный блок, служащий для излучения в просматриваемое пространство импульсных СВЧ-колебаний З-сантиметрового диапазона волн и приёма отражённых сигналов;

- приёмно-передающий блок, осуществляющий генерацию мощных СВЧ- импульсов и усиление принятых отражённых сигналов;

- основной индикаторный блок с пультом, осуществляющий синхронизацию работы РЛС, формирование радиально-секторной развёртки "азимут- дальность" для индикатора, усиление видеосигналов и их индикацию, а также управление всей работой радиолокатора;

- блок стабилизации и управления, служащий для стабилизации зоны обзора РЛС в пространстве при кренах и тангаже самолёта;

- при наличии штурмана на борту самолёта - второй (дополнительный) индикатор штурмана;

- при установке навигационного вычислителя на борту - блок коррекции, служащий для коррекции счисленных текущих координат по характерным радиолокационным ориентирам;

- на самолётах, где необходима особо высокая надёжность, второй (дублирующий) приёмно-передающий блок, явяющийся горячим резервом первого блока и в случае выхода его из строя полностью выполняющий все его функции.

РЛС "Гроза" присваивается цифровое обозначение, совпадающее с принятым самолётостроительным предприятием номером типа самолета, например, "Гроза-40" - радиолокатор для самолета ЯК-40; "Гроза-24" - радиолокатор для самолёта АН-24.

2.2 Состав и размещение радиолокатора "Гроза"

В состав РЛС входят следующие блоки:

- антенный блок c рефлектором диаметром 560 мм;

- приёмно-передающий блок с повышенной разрешающей способностью;

- индикаторный блок с пультом управления радиолокатора;

- волноводный тракт.

Все блоки, за исключением антенного, размещаются в герметической кабине самолёта. Антенный блок и часть волноводного тракта находятся в негерметическом носовом радиопрозрачном обтекателе.

Индикаторный блок РЛС располагается в средней части приборной доски между рабочими местами первого и второго пилотов.

2.3 Основные технические характеристики радиолокатора "Гроза"

Основные технические характеристики РЛС "Гроза" следующие:

- средняя дальность наблюдения изображения незастроенных участков суши и крупных водных ориентиров при развёртке длительностью 250 км составляет 100 км;

- средняя дальность наблюдения изображений областных городов и промышленных центров - 155 км;

- средняя дальность наблюдения изображений особо крупных промышленных центров - 230 км;

- дальность обнаружения грозовой и кучево-дождевой облачности среднего развития - 130 км,

- диапазон высот полёта, в котором обеспечивается наилучшая равноконтрастность радиолокационного изображения земной поверхности - 5000- 9000 м;

- максимальная ошибка измерения радиолокатором угла сноса самолета - не более 1,5°;

- возможные углы ручного наклона оси диаграммы направленности антенны относительно плоскости горизонта ±10°;

- сектор азимутального обзора РЛС ±100° от строительной оси самолёта;

- частота азимутального обзора - 0,55 - 0,9 Гц (32-54 циклов обзора в минуту);

- импульсная мощность излучаемых радиоимпульсов - не менее 9 кВт;

- частота излучаемых СВЧ колебаний - 9370 ± 30 МГц;

- средняя мощность генерируемых СВЧ колебаний - не менее 8 ВТ;

- полоса пропускания сквозной частотной характеристики приемника на уровне половинной мощности - в пределах

.

где f1 - низшая граничная частота; f2 - высшая граничная частота;

- соотношение между граничными частотами полосы и частотой магнетрона fМ удовлетворяет условию

;

- длительность излучаемых радиоимпульсов - 2 ± 0,2 мкс;

- частота повторения излучаемых радиоимпульсов равна частоте бортовой электросети 200/115В, т.е. 400 Гц;

- чувствительность приёмного устройства РЛС по пропаданию сигнала в шумах - не менее 100 дБ/мВ;

- ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности в горизонтальной плоскости - не более 4,2°;

- длительность развёртки на индикаторе: 30 км; 50 км, 125 км, 250 км - все, начиная с нуля дальности, и 375 ± 25 км, начиная с дальности 200 км;

- интервал между калибрационными метками дальности: 10 км на развертках "30" и "50", 25 км - на развёртке "125" и 60 км - на развёртках "250" и "375";

- напряжение электропитания РЛС:

однофазное переменное напряжение 115 В с частотой 400 Гц или трёхфазное переменное напряжение с линейным значением 200 В и частотой 400 Гц; трехфазное напряжение 36 В с частотой 400 Гц; постоянное напряжение 27 В.

2.4 Режимы работы радиолокатора "Гроза"

В соответствии с тактическим назначением РЛС "Гроза" может эксплуатироваться в следующих режимах: "Земля", "Метео", "Контур", "Снос", "Коррекция".

Режим работы "Земля"

Изображение местности на экране индикатора в режиме "Земля" получается в результате различных значений эффективной отражающей поверхности наземных объектов, что приводит к различию амплитуд отражённых сигналов, поступающих на вход приёмника РЛС.

В свою очередь различие амплитуд сигналов вызывает различную яркость свечения отдельных элементов экрана, что позволяет судить о характере облучаемых объектов (рис. 2.1).

Для получения изображения местности антенна РЛС в режиме "Земля" имеет веерный луч - широкий в вертикальной плоскости и узкий (4°,2) в горизонтальной плоскости.

При работе РЛС в режиме "Земля" обеспечивается получение на индикаторе в полярных координатах "азимут-дальность" непрерывной радиолокационной карты земной поверхности в пределах азимутальных углов ±100° впереди самолёта. Экран индикатора имеет время послесвечения несколько большее времени цикла качания антенны РЛС, что и позволяет наблюдать летчику общую картину просматриваемой местности. В нижней части рис.2.1 приведён участок такого изображения (условно - в негативе). Выше приведены временные диаграммы с характером изменения напряжения UВУ- на выходе видеоусилителя и форма тока в отклоняющей катушке, обеспечивающая развёртку электронного луча по дальности.

Рисунок 2.1 - Принцип получения радиолокационного изображения на индикаторе кругового обзора

Первые отражённые сигналы приходят с дальности, равной высоте полёта, поэтому около центра экрана образуется тёмное пятно с радиусом, пропорциональным высоте полёта самолёта. Затем экран засвечивается сигналом, отражённым от различных объектов. От спокойной водной поверхности происходит зеркальное отражение и участок экрана, ей соответствующий, остаётся незасвеченным (тёмным). В связи с этим на тёмном фоне хорошо видны отражения кораблей, мостов и других надводных объектов. Искусственные сооружения создают достаточно интенсивные отражённые сигналы и их изображение также выделяется на фоне местности.

Для правильности воспроизведения обстановки на индикаторе необходимо, чтобы одинаковые объекты давали на экране одинаковую яркость засвета независимо от различия расстояний до каждого из них. При этом, в соответствии с основным уравнением дальности действия РЛС, должно выполняться условие

(2.1)

где Рпрм - мощность отражённых сигналов на входе приёмника;

G() - коэффициент усиления (по мощности) антенны РЛС вертикальной плоскости;

R - дальность до объектов.

Для выполнения этого условия необходимо выбрать особый закон изменения диаграммы направленности от текущего угла i (рис. 1).

При постоянной высоте полета Н

\

Как следует из условия (2.1) , откуда , т.е. коэффициент усиления антенны в вертикальной плоскости должен изменяться по закону . На рис.2.1 показана примерная форма такой диаграммы, называемой "косекансной".

При работе РЛС на развёртках "30", "50" и "125" обзор земной поверхности осуществляется косекансной веерной диаграммой направленности. Для получения такой диаграммы в этом режиме используется антенный отражатель (рефлектор) двойной кривизны.

При масштабе развёртки 250 км для обзора земной поверхности, в целях повышения дальностей наблюдения средних промышленных центров, используются поочерёдно два вида диаграмм направленности, переключаемых автоматически. При движении рефлектора вправо формируется узкая диаграмма направленности "карандашного" типа. За счёт большого послесвечения экрана индикатора радиолокационные изображения от узкого и веерного лучей воспринимаются оператором как единое целое. При работе на развёртке "375" обзор поверхности осуществляется только узким лучом, который имеет в два раза больший коэффициент направленного действия.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6