Nadajniki radiolokacyjne

Radar impulsowy jest urządzeniem nadawczo – odbiorczym, zatem jednym z najważniejszych jego części składowych jest nadajnik. Podstawową cechą nadajników stosowanych w radiolokacji jest roboczy zakres wysokich częstotliwości, obejmujący fale metrowe i mikrofale oraz często bardzo wysoki poziom generowanej mocy.

Przed konstruktorami nadajników współczesnych stacji radiolokacyjnych stoją ostre wymagania; nadajnik radarowy powinien generować energię dostateczną, aby zapewnić wykrywanie odległych celów, powinien być łatwo modulowany żeby mógł generować sygnały o pożądanym kształcie, generowane sygnały muszą być stabilne ażeby umożliwić dopplerowskie przetwarzanie sygnałów echa, widmo generowanych sygnałów musi mieć określoną szerokość, nadajnikowi należy zapewnić możliwość przestrajania w pożądanym zakresie częstotliwości, musi on pracować z dużą sprawnością energetyczną, być urządzeniem niezawodnym, łatwym w eksploatacji, mieć wymiary i ciężar dopasowane do platformy, na której jest zainstalowany (np. pokład niewielkiego samolotu) i oczywiście nie może być zbyt kosztowny. Wszystkim tym wymaganiom można sprostać, rzadko jednak jednocześnie.

Nadajniki współczesnych stacji radiolokacyjnych różnią się znacznie od dawnych konstrukcji. Przedstawiam dwa przykłady rozwiązań; nadajnika do niedawna uznawanego za klasyczne rozwiązanie w radiolokacji oraz nadajnika stacji koherentnej. Żeby zrozumieć jak działają, konieczne jest przynajmniej pobieżne zapoznanie się z liniami długimi.

Linie długie

Linia długa jest układem elektrycznym o równomiernie rozłożonych parametrach (o stałych rozłożonych). Można ją sobie wyobrazić jako obwód złożony z nieskończenie dużej liczby małych cewek indukcyjnych, kondensatorów i rezystorów, równomiernie rozłożonych wzdłuż przewodów.

Najprostszą linią długą jest linia dwuprzewodowa, składająca się z dwóch równoległych przewodów. Jeśli do takiej linii obciążonej na końcu podłączymy generator napięcia sinusoidalnego, wytwarzającego falę o długości wielokrotnie większej od całkowitej długości przewodów, to prąd w dowolnym punkcie linii będzie miał jednakową wartość. W przypadku natomiast, gdy długość fali generowanej jest mniejsza od długości przewodów, prąd w różnych punktach linii jest różny w tym samym czasie. W tym przypadku należy linię traktować jako linię długą.

Kryterium umożliwiającym zaliczenie linii do jednej lub drugiej kategorii jest nie jej fizyczna długość, ale współmierność jej długości z długością fali. Linia energetyczna przesyłająca energię elektryczną o częstotliwości 50 Hz (λ= 6000 km) o długości kilkudziesięciu kilometrów nie jest linią długą, zaś przewód o długości 10 cm dla częstotliwości 10 GHz (λ = 3 cm) jest linią długą.

linia nieskończenie długa

W sposób bardzo uproszczony przedstawię zjawiska zachodzące w fikcyjnej, nieskończenie długiej linii dla stanów nieustalonych, tj. po dołączeniu do niej źródła napięcia stałego. Na rysunku przedstawiłem linię nieskończenie długą bez strat i źródło prądu stałego o sile elektromotorycznej E i rezystancji wewnętrznej Ri równej impedancji falowej linii Z0.

Po zamknięciu przełącznika p, od źródła wzdłuż linii zacznie się rozchodzić fala napięcia up i fala prądu ip zwane falami padającymi. Ponieważ linia jest nieskończenie długa, to fale ten nigdy nie osiągną końca linii. Stosunek napięcia do prądu fal padających, tj. up/ip jest stały i nazywany jest właśnie impedancją falową (lub impedancją charakterystyczną) linii Z0.

równanie 39

gdzie L1, C1– indukcyjność i pojemność przypadająca na jednostkę długości linii.

Impedancja falowa ma charakter rzeczywisty i wyrażona jest w omach (Ω). Wielkość fali padającej prądu i napięcia można obliczyć uwzględniając, że linia dla źródła napięcia jest obciążeniem o wartości Z0, co można przedstawić na schemacie zastępczym. Z układu tego, zgodnie z prawem Ohma otrzymamy:

równanie 40
równanie 41

Obie fale posiadają zgodną polaryzację i między nimi istnieje zależność:

równanie 42

schemat zastępczy linii długiej

Jeżeli w dowolnym miejscu linię przetniemy i do jej końca w miejscu przecięcia dołączymy rezystor o wartości RO równej Z0, to zjawiska zachodzące w linii nie ulegną zmianie, tzn. w linii nadal będzie występować będzie jedynie fala bieżąca, a energia dochodząca do obciążenia RO będzie się w nim całkowicie tracona (zamieniana na ciepło). Taki obwód jest nazywany obwodem dopasowanym, tzn. istnieje równość wartości rezystancji wewnętrznej źródła energii elektrycznej Ri, impedancji falowej linii Z0 oraz obciążenia RO, a w linii energia przekazywana w jedną stronę, tj. od źródła do obciążenia.

Rozpatrzmy teraz drugi przypadek. Linia o długości l na końcu rozwarta, jest zasilana ze źródła prądu stałego o sile elektromotorycznej E i rezystancji wewnętrznej Ri = Z0. Dla uproszczenia przyjmijmy, że linia jest bez strat.

Po zamknięciu przełącznika źródło zostaje podłączone do linii, w wyniku czego zaczyna się rozchodzić fala padająca napięcia i prądu o wartościach wyznaczonych podanymi wyżej równaniami. Fale te rozchodzą się z prędkością v równą:

równanie 43

Po czasie opóźnienia top fale te osiągną koniec linii.

równanie 44

fale prądu i napięcia w linii

Fala prądu na otwartym końcu linii skokowo maleje do zera, co oznacza zmianę energii pola magnetycznego w energię pola elektrycznego. Spowodować to musi skokowy wzrost napięcia na końcu linii, który zacznie się przenosić wzdłuż linii w kierunku źródła. Oznacza to powstanie fali odbitej napięcia o polaryzacji zgodnej z falą padającą napięcia i fali odbitej prądu o polaryzacji przeciwnej do fali padającej prądu, co w sposób poglądowy przedstawiono na rysunku obok.

Wielkość fal odbitych i ich polaryzację możemy określić uwzględniając, że prąd wypadkowy na końcu linii, będący sumą fali padającej i fali odbitej prądu, równy jest zeru.

równanie 45

Stąd:

równanie 46

Zatem fala odbita prądu równa się co do wielkości fali padającej i jest przeciwnie spolaryzowana.

Ponieważ przy odbiciu zawsze jedna z fal odbitych (napięcia lub prądu) jest przeciwnie spolaryzowana do odpowiadającej jej fali padającej, to dla fal odbitych prawdziwa jest zależność:

równanie 47

stąd dla omawianego przypadku fala odbita napięcia jest zgodna co do wielkości i polaryzacji (znaku) z falą padającą napięcia.

równanie 48

Obie fale odbite przesuwają się w stronę źródła i w miarę ich przesuwania, napięcie w linii rośnie do wartości E, a prąd maleje do zera. Po czasie 2top od chwili włączenia źródła, fale odbite dotrą do początku linii, napotykając na rezystancję wewnętrzną Ri równą impedancji falowej linii Z0 i w związku z dopasowaniem tych dwóch wartości odbicie już nie nastąpi.

Na tym zakończy się stan nieustalony w obwodzie, w rezultacie w linii ustali się napięcie stałe E i prąd równy zero. Mówimy o takiej linii, że jest naładowana i posiada energię zgromadzoną w polu elektrycznym występującym między przewodami, czyli linię można teraz porównać do naładowanego kondensatora.

schemat zastępczy linii naładowanej

Jeżeli teraz linię, równocześnie lub po uprzednim odłączeniu od źródła, podłączymy do obciążenia RO = Z0 to znowu powstanie stan nieustalony. Naładowaną linię w tym przypadku możemy zastąpić źródłem napięcia o wartości E i rezystancji wewnętrznej Ri = Z0. Schemat zastępczy obwodu jest taki, jak na rysunku. Zgodnie z układem zastępczym można obliczyć prąd rozładowania ir i napięcie uR na obciążeniu RO:

równanie 49
równanie 50

Powstaną fale padające prądu i napięcia (rozładowujące linię), które będą się przesuwały od końca do początku linii. Fala rozładowująca napięcia ur jest równa:

równanie 51

Po czasie opóźnienia top, gdy fala rozładowująca dojdzie do początku linii, napięcie w linii będzie miało wartość:

równanie 52

Fala rozładowująca napięcia odbije się od rozwartego początku linii i po czasie 2top powróci do obciążenia, całkowicie rozładowując linię.

równanie 53

W ciągu całego czasu rozładowania, prąd płynący przez obciążenie, a więc i napięcie na nim, utrzymują się na stałym poziomie, które skokowo maleją do zera w momencie końcowym rozładowania, czyli po czasie 2top. W ten sposób na obciążeniu otrzymujemy prostokątny impuls napięcia o amplitudzie E/2 i czasie trwania τ równym:

równanie 54

Wnioski płynące z powyższych rozważań są następujące:

Linia długa jest najlepszym układem znanym w technice impulsowej do kształtowania impulsów prostokątnych, jednak względy konstrukcyjne powodują, że jest rzadko stosowana w praktyce. Chcąc na przykład ukształtować impuls o czasie trwania 1μs, musielibyśmy zużyć 150 metrów kabla przy założeniu, że prędkość propagacji fali w linii jest równa prędkości światła. Ponieważ w radiolokacji należy kształtować impulsy o dużej mocy, należałoby stosować linie o bardzo dużej wytrzymałości na wysokie napięcia, co oczywiście zwiększałoby ich wymiary fizyczne.

linia sztuczna

Analiza schematu zastępczego linii długiej nasunęła myśl zbudowania układu z szeregowo połączonych ogniw LC o skupionych parametrach, czyli zbudowanego z kondensatorów i cewek indukcyjnych. W ten sposób każde ogniwo staje się równoważne pewnemu skończonemu odcinkowi linii, a całość zastępuje linię z równomiernie rozłożonymi parametrami. Uzyskany w ten sposób układ nazywamy linią sztuczną.

Linie sztuczne są szeroko stosowane w urządzeniach impulsowych, głównie do kształtowania i opóźniania impulsów. Im więcej ogniw posiada linia sztuczna i im mniejsza jest indukcyjność i pojemność każdego ogniwa, tym bliższe są właściwości linii sztucznej właściwościom linii długiej, tzn. kształtowany impuls bardziej będzie zbliżony do impulsu prostokątnego. W praktyce stosuje się od kilku do kilkunastu ogniw LC.

Linia sztuczna, zastępując określony odcinek linii długiej, posiada znacznie mniejsze wymiary, łatwiej jest też dobrać jej impedancję falową do konkretnego obciążenia, dobierając wartości L i C, ponieważ

równanie 55

Czas trwania impulsu określa w tym przypadku zależność:

równanie 56

gdzie: n – ilość ogniw LC.

W radiolokacji linie sztuczne stosowane są w modulatorach impulsowych nadajników radarowych.

Modulatory impulsowe

Modulator impulsowy jest bardzo istotnym urządzeniem nadajnika każdego radaru impulsowego. Zadaniem modulatora jest formowanie impulsów prostokątnych o bardzo dużej mocy, tj. o wysokim napięciu rzędu kilku, a nawet kilkudziesięciu tysięcy woltów i dużym impulsowym prądzie rzędu setek amperów. Impulsy te doprowadzane są do generatora i/lub końcowych stopni wzmacniających nadajnika radarowego, dostarczając im energię niezbędną do wygenerowania impulsów ultra wielkiej częstotliwości bardzo dużej mocy. Parametry impulsów modulujących, takie jak czas trwania impulsu, częstotliwość ich powtarzania, moc impulsu, decydują o parametrach impulsów sondujących radaru.

modulator impulsowy

Typowy układ blokowy modulatora impulsowego, przedstawiony na rysunku, składa się ze źródła prądu, elementu zabezpieczającego źródło przed zwarciem, przełącznika oraz elementu gromadzącego energię. Impulsy o dużej mocy przekazywane są do obciążenia, którym jest generator ultra wielkiej częstotliwości (u.w.cz.). W czasie trwania impulsu, element gromadzący energię jest dołączony do generatora za pomocą przełącznika ustawionego w położenie 2. W tym czasie generowany jest impuls sondujący. Następnie przełącznik przełączany jest w położenie 1, generator nie pracuje - następuje przerwa miedzy kolejnymi impulsami, podczas której energia elektryczna ze źródła prądu jest akumulowana w elemencie gromadzącym energię. Energia Wi wytwarzanego przez modulator impulsu wynosi

równanie 57

Energia ta jest wcześniej pobierana ze źródła i akumulowana w elemencie gromadzącym energię w czasie równym różnicy okresowi powtarzania Tp i czasowi trwania impulsu τ. Ponieważ czas trwania impulsu jest dużo krótszy od okresu powtarzania, nawet o trzy rzędy wielkości, możemy przyjąć, że Tp – τ ≈ Tp, a zatem energia pobrana ze źródła Wz wynosi

równanie 58

Jeżeli założymy, że w obwodzie nie ma strat energii, to Wi = Wz, czyli

równanie 59

Stąd

równanie 60

Z powyższego równania wynika, że moc źródła przy zastosowaniu elementu gromadzącego energię, może być znacznie mniejsza od mocy impulsów wytwarzanych przez modulator. Szukając analogii, można przyrównać modulator impulsowy do akumulatora samochodowego, który długo gromadzi energię z alternatora o niewielkiej mocy, aby móc ją w krótkim czasie spożytkować do zasilenia rozrusznika o dużej pobieranej mocy.

W radarowych modulatorach impulsowych w roli elementu gromadzącego energię stosuje się linie sztuczne. Oprócz gromadzenia energii kształtują one impuls prostokątny o zadanym czasie trwania. W roli przełączników stosowane są tyrystory, a w starszych konstrukcjach gazowane, sterowane lampy przełączające zwane tyratronami. Elementy te są sterowane impulsami z czasosteru, a zatem wytwarzanie impulsów modulujących jest zsynchronizowane z pracą innych podzespołów radaru, w tym wskaźnika optycznego.

Nadajnik magnetronowy

Prosta konstrukcja, wysoka sprawność i niewielkie rozmiary magnetronów spowodowały, że nadajniki magnetronowe były i są stosowane w wielu radarach. Schemat blokowy nadajnika magnetronowego składa się z dwóch bloków funkcjonalnych - modulatora impulsowego i generatora magnetronowego. Ze względu na konieczność dopasowania impedancji wejściowej magnetronu do impedancji falowej linii sztucznej modulatora, sprzężenie generatora z modulatorem realizuje się za pośrednictwem transformatora impulsowego, który dodatkowo dzięki swojej przekładni zwiększa amplitudę impulsów modulujących i odwraca polaryzację tych impulsów. Ze względów konstrukcyjnych, ujemne impulsy o amplitudzie rzędu kilkunastu lub nawet kilkudziesięciu tysięcy woltów doprowadzane są do katody, natomiast blok anody połączony jest z masą radaru.

Obecnie znaczenie magnetronu zmniejszyło się głównie dlatego, że nie jest on w stanie sprostać rosnącym wymaganiom stawianym współczesnym radarom. Głównymi ograniczeniami magnetronów jest ich niewielka moc średnia oraz niezadowalające właściwości wykrywania celów poruszających się na tle silnych zakłóceń od obiektów stałych.

Chociaż magnetrony mogą generować impulsy sondujące o mocy szczytowej kilku megawatów, ich moc średnia jest niestety ograniczona do kilku kilowatów. Może to wystarczać w przypadku niektórych wojskowych radarów średniego zasięgu lub cywilnych radarów kontroli ruchu lotniczego posiadających duże anteny, ale nie jest to wystarczająca moc w wielu zastosowaniach wojskowych.

W latach Drugiej Wojny Światowej radary obserwacyjne nie były zdolne wykrywać samolotów, jeżeli nie znajdowały się one w obszarze niezakłóconym przez sygnały ech pochodzących od obiektów stałych, jak np. powierzchnia ziemi, czy też od chmur i opadów atmosferycznych, zwanych w radiolokacji zakłóceniami biernymi. Właściwość odseparowywania celów ruchomych od zakłóceń biernych posiadają współczesne radary, zwane radarami MTI (Moving Target Indication). Wprawdzie wczesne radary o właściwości MTI posiadały nadajniki magnetronowe, ale rozwój cyfrowej techniki przetwarzania sygnałów echa uświadomił konstruktorom, że dalsze stosowanie nadajników magnetronowych stanowi poważne ograniczenie w poprawie parametrów wykrywania celów ruchomych. Zasadniczą wadą magnetronu albowiem jest brak koherencji kolejnych impulsów sondujących, co komplikuje konstrukcję układów filtracji dopplerowskiej.

Następnym „gwoździem do trumny” dla magnetronu stał się rozwój techniki kompresji impulsów echa i związana z tym konieczność modulacji częstotliwościowej lub fazowej impulsów sondujących. Ażeby „dobić” tę jakże zasłużoną dla radiolokacji lampę, należy wspomnieć, że częstotliwość generowanych przez magnetron sygnałów ma tendencję do dryftu, czyli powolnej zmiany wartości z upływem czasu, co powoduje konieczność ciągłego dostrajania odbiornika do zmieniającej się częstotliwości nadajnika. Magnetrony są hałaśliwe, wytwarzają sygnały zakłócające (tzw. brak czystości widmowej generowanych sygnałów), są kłopotliwe w magazynowaniu, ponieważ wymagają okresowego „trenowania”, tzn. włączania do pracy na kilka godzin. Wszystkie te wady spowodowały rozwój innych konstrukcji nadajników, a przykład jednego z nich opisuję poniżej.

Nadajnik stacji koherentnej

nadajnik koherentny

Opisany tu nadajnik jest przykładem nowoczesnego rozwiązania stosowanego w radarach w pełni koherentnych o bardzo dobrych właściwościach MTI. Konstrukcja nadajnika składa się z bloku sygnału wzbudzenia oraz czterech wzmacniaczy mikrofalowych, z których w pierwszym i drugim zastosowano lampy z falą bieżącą (LFB), a w trzecim i czwartym amplitrony. Lampy wzmacniające są modulowane impulsami z modulatorów, przy czym amplitrony odpowiadające za ostateczne wzmocnienie mocy modulowane są przez opisane wcześniej modulatory impulsowe z kształtowaniem impulsów przez linię sztuczną.

„Mózgiem” nadajnika jest blok sygnału wzbudzenia. Wykonuje on następujące zadania:

Blok sygnału wzbudzenia umożliwia szybkie przestrajanie radaru (nadajnika i współbieżnie odbiornika) między kolejnymi impulsami sondującymi, umożliwiając funkcjonowanie radaru w następujących rodzajach pracy:

Bloki wzmacniaczy mikrofalowych wzmacniają impulsy o niewielkiej mocy do wymaganej wartości, następnie są one doprowadzane do anteny i wyemitowane w przestrzeń.

Ponieważ blok wzbudzenia wykorzystuje sygnał odniesienia ze stabilnego generatora kwarcowego zarówno do kształtowania impulsów sondujących, jak i do przemiany częstotliwości w odbiorniku, to zmiana częstotliwości nadajnika, czy to zamierzona (przestrajanie), czy też niezamierzona (dryft częstotliwości), przekładają się na równoczesną, współbieżną zmianę częstotliwości pracy nadajnika i odbiornika. Umożliwia to pozbycie się skomplikowanych i zawodnych układów automatycznej regulacji częstotliwości (ARCz) stosowanych we wcześniejszych konstrukcjach radarów.

Zdolność stacji radiolokacyjnej do szybkiej zmiany częstotliwości nośnej od impulsu do impulsu, uodpornia ją na działanie zakłóceń stosowanych na polu walki przez wroga, a zastosowanie kompresji sygnałów echa znacznie poprawia dokładność pomiaru odległości oraz rozróżnialność odległościową.