Coolelectrics.ru

В момент излучения импульса радиолокатор обладает грандиозной для его размеров мощностью. Сравнительно небольшая установка соревнуется с крупнейшими гидроэлектростанциями. В чем же секрет такого неестественного могущества?

 

Прежде всего вспомним, что такое мощность. Из курса физики известно, что мощностью машины называют количество энергии, которое она может отдать в единицу времени, выполняя ту или иную работу. Человек, перетаскивая тяжести, тоже работает как машина вполне определенной мощности. Он не в состоянии сдвинуть с места большой камень — мощности нехватает. Слишком много энергии необходимо затратить сразу, чтобы поднять этот камень. Но, если это допустимо, у человека всегда есть верный способ помочь себе.

 

Разбейте камень на более мелкие части. Теперь каждый мелкий кусок легко сдвинуть с места и поднять. Для того чтобы убрать в сторону все части большого камня, придется сделать несколько «рейсов», на работу придется затратить гораздо больше времени, но все же она стала выполнимой. Разумеется, вы не добились никакой экономии. То же количество энергии пришлось затратить на перетаскивание всех мелких камней, но зато работа совершалась постепенно, в соответствии с мощностью.

 

Радиолокатору необходимо противоположное качество. За миллионную долю секунды, за время импульса он должен «выбросить» как можно больше энергии, «отдать» наибольшую импульсную мощность. Это одно из условий обеспечения большой дальности действия.

Импульсная мощность радиолокатора может достигать миллионов ватт, в то время как источник электропитания станции — небольшое и маломощное устройство. Все дело в том, что электрическая энергия поступает из этого источника в радиолокатор непрерывно, понемногу. Там она накапливается в специальных устройствах в течение всей приемной паузы и затем излучается за короткий промежуток времени. За счет такой высокой концентрации энергии во времени и развивается огромная мощность.

Под палубой корабля укрыт пост приборов радиолокатора. На верхушке мачты установлена антенна. Как же связать передатчик и приемник с антенной? Ведь предстоит «транспортировать» к антенне энергию сверхвысокой частоты, и это довольно сложная задача. Высокочастотная энергия всюду встречает препятствия. Вот почему необходимо вкратце познакомиться с устройством кабельных и волноводных линий, с их достоинствами и недостатками.

 

Самым простейшим средством передачи служит открытая двухпроводная линия. Она состоит из двух параллельных проводников, которые с помощью изоляторов расположены на небольшом расстоянии один от другого. Как уже говорилось, такая линия служит «рельсами» для распространяющейся электромагнитной волны. Изготовить такую линию просто, но далеко не всегда ею можно пользоваться. Часть энергии, передаваемой по открытой , линии, излучается, не достигая антенны. Кроме того, электромагнитное поле возбуждает токи в металлических предметах, окружающих линию. Это тоже способствует вредным потерям энергии. Чем короче длина передаваемой волны, тем сильнее проявляют себя недостатки открытой линии.

 

Другой вид линии передачи — коаксиальный кабель. Один из его проводников — центральная жила, другой — металлическая оплетка, окружающая жилу. Для изоляции между ними помещают твердый диэлектрик или изоляционные шайбы. Теперь уже поле, распространяющееся между первым и вторым проводниками, изолировано от внешней среды. Но с укорочением длины волны появляются новые трудности. В заполняющем коаксиальный фидер изоляторе «застревает» большое количество энергии. Даже если изолятор сделан из отдельных шайб, то на сантиметровом диапазоне эти потери становятся слишком большими. Кроме того, часть энергии отражается от шайб, нарушает «порядок» питания антенны. Может случиться электрический пробой между проводниками кабеля. Чаще всего это бывает в месте расположения шайб. Тогда нарушается изоляция кабеля и он приходит в негодность.

 

Но коаксиальные кабели используются только на дециметровых волнах. С переходом на сантиметровый диапазон их заменили волноводами. Вместо двух проводников остался один — труба. Электромагнитная волна как бы «полилась» по этой трубе. Все недостатки кабеля теперь не дают себя знать. Почему же не используется волновод на более длинных волнах?

Волноводы  бывают различной  формы.  Это могут быть трубы круглого илй четырехугольного сечения. Пусть внутрь трубы поданы колебания сверхвысокой частоты. Распространяясь в разные стороны,  они  наталкиваются  на препятствия — стенки трубы. Беспрерывно отражаясь, волны находят себе лишь одно направление распространения — вдоль трубы. Но всегда ли это бывает именно так? Оказывается, нет.
Вообразим, что размеры сечения нашего волновода остаются неизменными. В то же время мы постепенно увеличиваем длину волны. Когда эта длина достигнет определенной величины, волна не станет распространяться по волноводу. Это произойдет потому, что электромагнитному полю станет «тесно»; условия, необходимые-для его распространения, исчезнут. Пусть, например, взят прямоугольный волновод с сечением, показанным на рисунке, Как только длина волны сделается больше двойного размера широкой стенки,— волновод станет непроходим. Для волны длиной 10 см широкая стенка волновода должна быть шире 5 см. Теперь понятно, почему не применяют волноводы на метровых волнах:понадобились бы трубы огромного сечения.

Вернемся снова к примерам из области звука. Для измерения расстояния до противоположного скалистого берега реки мы пользовались громким и резким возгласом. Именно резким, так как нам, не теряя времени, нужно было включить секундомер и внимательно прислушиваться к эхо. Представьте себе, что ко времени прихода отразившегося звука мы не перестали кричать. Тогда, очевидно, слабое эхо «утонет» в голосе. Мы не сможем отметить время прихода эхо. Чем дальше расположены предметы, отражающие волны, тем более длительный звуковой «импульс» можно себе позволить. Чем ближе предмет, тем короче должен быть возглас.

 

То же самое можно сказать о длительностях импульсов электромагнитной энергии в радиолокации.

Уже говорилось вскользь о том, что импульсы радиолокатора излучаются за очень короткое время — миллионные доли секунды. Для чего это делается? Может быть, достаточно просто секунды? Попробуем ответить на этот вопрос, решая практическую задачу.

На расстоянии 30 км от радиолокатора находится самолет. Мы включили передатчик. В тот же момент электромагнитные волны, «оторвавшись» от антенны со скоростью 300 000 км/сек, отправились в направлении «цели». Передний фронт начавшегося излучения — это и есть передний фронт импульса. Все новые и новые волны, отрываясь от антенны, как бы заполняют «пакет» электромагнитной энергии. Вот передний фронт за определенный промежуток времени достиг самолета и отразился; затем протекает еще такой же отрезок времени,— и отраженный сигнал вернулся к радиолокатору. Волна «промчалась» 60 км, затратив на эту дорогу всего лишь 200 микросекунд (микросекунда — миллионная доля секунды).

Если к моменту возврата переднего фронта импульса, отразившегося от самолета, работа передатчика не окончилась, то радиолокатор не годится для измерения таких «маленьких» расстояний.
 
До тех пор, пока не окончилось излучение импульса передатчиком, радиолокатор «слеп». За это время радиоволна успеет пройти вполне определенное расстояние, равное скорости волны, помноженной на длительность импульса. Половина этого расстояния — та дальность, в пределах которой радиолокатор при данной длительности импульса не обнаруживает целей.

 

Отраженный сигнал «утонет» в собственном сигнале передатчика. А когда окончится излучение зондирующего (так иногда его принято называть) импульса, окажется, что приемник уже «прозевал» начало отраженного.

 

Какой же должна быть длительность импульса для измерения расстояния около 1 км? В 30 раз меньшей, т. е. 6—7 микросекунд. Мы увидим дальше, что другие требования заставят нас еще более «укоротить» во времени выбрасываемый радиолокатором «пакет» радиоволн.

Теперь попробуем разобраться в другом, не менее важном вопросе. Как часто приходится радиолокатору посылать импульсы радиоволн? Отправив на поиски препятствий «пакет» радиоволн, станция «замолкает», начинает «прислушиваться». Наконец, начинают приходить эхо-сигналы. Сначала от близких, затем от все более далеких предметов. До тех пор, пока не вернутся сигналы, отраженные самыми дальними целями, радиолокатор вынужден «ждать». Так как скорость распространения постоянна, то сократить это «ожидание», поторопить импульс, разумеется, нельзя. Пусть самый дальний отражающий объект находится на расстоянии 200 км. Ждать эхо-сигнала от этого объекта придется около 1300 микросекунд. Предположим, что область за пределами 200 км нас вообще не интересует. Тогда, выбрав длительность приемной паузы несколько большей, чем 1300 микросекунд, мы наверняка обеспечим наблюдение всех эхо-сигналов интересующей нас области. Время приема их радиолокатором будет строго соответствовать расстоянию до цели.

 

Но что случится, если находящийся на расстоянии в 300 км от станции объект также пришлет свой эхо-сигнал? На дорогу туда и обратно радиоволнам понадобилось 2000 микросекунд. А передатчик не стал дожидаться их, он уже послал вторую «порцию» радиоволн. Получилось, что эхо-сигнал вернулся через 700 микросекунд после излучения второго импульса. Увидев его на экране, оператор может подумать, что этот эхо-сигнал вызван какой-то другой целью, расположенной всего лишь в 100 км от станции. Получится «путаница» в определении дальности. Конечно, можно отличить ложную цель от настоящей, но все же такая путаница— нежелательное явление.

Длительность приемной паузы принято называть «периодом повторения». Соответственно частоту следования импульсов называют частотой повторения. При конструировании станции приходится выбирать период повторения с учетом наибольших дальностей, на которых будет «видеть» радиолокатор. Маленькие станции позволяют посылать импульсы чаще, т. е. с большей частотой. Для станций дальнего обнаружения период повторения выбирается большим, т. е. частота повторения уменьшается.

 

Таким образом, за 1 секунду радиолокатор излучает 500—1000 импульсов. Продолжительность каждого импульса измеряется одной или несколькими микросекундами, а иногда долями микросекунды.

Направленность излучения есть не что иное, как: выигрыш в мощности. Электромагнитная энергия «собирается» со всех направлений и концентрируется в одном. Чем уже луч, тем больше в нем энергии. Зачем в 16 раз увеличивать мощность? Может быть, лучше, преодолев все связанные с этим трудности, в два раза сузить луч?

 

После того, как мы условились временно как бы забыть о дифракции, снова вспомним об этом явлении. Благодаря дифракции несколько увеличивается «дальнозоркость» станции. Пусть плохо, но все же ультракороткие волны огибают землю. Поэтому радиолокаторы метрового диапазона за этот счет несколько увеличивают свою дальность действия. Сантиметровым волнам огибание земли менее свойственно”. Вот и выходит, что, несмотря на бесспорные преимущества в точности станции сантиметрового диапазона, радиолокатор метрового диапазона может оказаться при прочих равных условиях более «дальнозорким».

 

Конструкторам радиолокатора дается задание создать установку, удовлетворяющую ряду подчас очень мелких, но важных требований. Хорошо зная достоинства и недостатки каждого используемого ими метода, они добиваются наилучшего результата.

 

Читателю уже ясно, как трудно ответить без всяких оговорок на прямо поставленный вопрос о дальности действия радиолокатора. Слишком много зависящих и не зависящих от конструкции причин переплетаются между собой. Но для полной ясности вообразите себя на короткое время перед экраном радиолокационной станции. Хорошо «виден» обнаруженный самолет. Он пока недалеко, но быстро удаляется. Постепенно падает величина эхо-сигнала. При отдельных положениях самолета эхо-сигнал пропадает. Приемник не в состоянии выделить его на уровне шумов. «Видимость» становится прерывистой: цель то появляется, то пропадает. Сначала такие пропадания редки. Потом они все увеличиваются по количеству и по времени. Вот уже только изредка появляется на экране цель, и случайному наблюдателю, конечно, трудно ответить на вопрос, когда, на какой дальности была потеряна цель.

Экраны всех типов необходимо заранее разметить, чтобы положение каждого принятого сигнала можно было сразу определить.

Простейшим измерителем может служить обыкновенная линейка, помещенная перед разверткой. Вместо сантиметров и миллиметров на ней надо заранее нанести действительные расстояния. При пользовании такой механической шкалой точность невелика. Совсем другое дело — электрическая шкала. Пусть тот же самый электронный луч, который отмечает на экране положения целей, нарисует и деления масштабной шкалы, разметит собственный рисунок. Специальная схема вырабатывает серию сигналов-импульсов, поступающих на трубку через равные промежутки времени, начиная с момента запуска развертки. Появляясь на экране, они отмечают равные дистанции, наносят метки электрической шкалы. Такие электрические метки подаются на индикаторы всех типов. Так, на индикаторе кругового обзора импульсы равной дальности высвечивают на экране концентрические окружности.

Например, каждым 10 км соответствует бледное кольцо, каждым 50 км — более яркое.

 

С помощью таких меток можно высвечивать и линию — радиус — через каждые несколько градусов. Электрическая шкала разбивает экран на мелкие перенумерованные клеточки, положение каждой цели становится вполне определенным.

 

Но перечисленные способы непригодны на станции орудийной наводки. Здесь положение цели, интересующей оператора, надо определить с наибольшей точностью. Об одном из таких точных способов уже говорилось — цель выделяется с помощью передвижения растянутого участка развертки или с помощью специального указательного импульса. Передвижная метка совмещается, например* с передним фронтом отраженного сигнала, как бы указывает его начало. Специальная шкала штурвала дальности, перемещающего эту указательную метку, размечена с достаточной точностью.

 

Способы электрической разметки изображения разнообразны. Каждый из них по-своему интересен. Разработаны десятки и сотни различных электрических схем, создающих напряжения всевозможной формы.