Аналіз варіантів побудови РПП РЛ озброєння
1. Роль та місце приймально–передавальних систем в радіотехнічних засобах озброєння
Приймально – передавальні системи являються складними частинами радіотехнічних засобів озброєння. Від технічних параметрів приймально – передавальних систем залежать найважливіші тактико – технічні характеристики комплексів озброєння. В їх число входять: дальність дії, якість передачі та відображення інформації (точність виявлення координат, захист від завад, електромагнітна сумісність і т.д.), а також ряд експлуатаційних і конструктивних показників.
В радіотехнічних засобах озброєння можуть використовуватися різні радіо – та радіолокаційні канали. Однак всі ці канали можна представити у вигляді трьох моделей.
До першої моделі належать системи, призначенні для передачі інформації із одних пунктів простору в інші, іншими словами передавальні та приймальні пристрої знаходяться в різних точках простору.
Структурну схему першої моделі представлено на рисунку 1.
Рис.1.
Радіолінії при великому числі джерел інформації повинні будуватися по багатоканальній схемі.
В приведеній моделі можуть використовуватись сигнали з відомими і невідомими параметрами. Останній тип сигналів характерний для систем пасивної радіолокації і радіорозвідки.
Друга модель відповідає активній радіолокації з пасивним відбивачем (рис.2).
Рис.2.
Передавальні та приймальні пристрої можуть знаходитись на різних або однакових позиціях, використовувати різні і загальні антени.У відповідності з цим системи називаються об’єднаними або роз’єднаними.
Третя модель (рис.3.) широко використовується в радіолокаційних системах з активною відповіддю.
Рис3.
Аналіз відомих систем радіотехнічних засобів озброєння показує, що в них використовуються різні комбінації нижче поданих моделей. Характеристики каналів визначаються вимогами до радіотехнічних засобів озброєння і характеристиками вхідних в їх склад передавальних та приймальних пристроїв.
Слідує враховувати, що робота радіотехнічних засобів в реальних умовах буде проходити при інтенсивній радіопротидії з боку противника. Це призводить до необхідності створення таких радіотехнічних засобів озброєння, технічні характеристики яких у важких завадових умовах зменшувалися б в незначних межах. Тому приймально – передавальні системи повинні автоматично реагувати на зміни в завадовій обстановці як зміною режиму випромінювання, так і використанням можливих видів селекції сигналів на фоні завад при прийомі.
Вимоги до характеристик приймально – передавальних систем повинні формуватися на основі тактико – технічних вимог до радіотехнічних засобів озброєння і враховувати можливості засобів повітряного нападу противника, а також фізичні, технологічні, економічні особливості бойового використання.
2. Основні вимоги до передавальних систем РЛС
Технічні вимоги до передавальних систем пред’являють, спираючись на основне цільове призначення засобу радіотехнічного озброєння і вимог ТТХ на основі компромісних рішень при системному аналізі з урахуванням фізичних, економічних і організаційних обмежень. Звичайно розрізнюють три основні види технічних вимог: електричні, конструктивні та експлуатаційні. При цьому вихідними і найбільш суттєвими є вимоги до їх електричних характеристик.
Основними електричними характеристиками передавальних систем є:
1. Вид та параметри зондуючих сигналів;
2. Діапазон робочих частот fH
…fB
і ширина спектру зондуючих сигналів Пf
;
3. Вихідна потужність Pc
і коефіцієнт корисної дії передавальної системи ;
4. Частота повтору (при імпульсних зондуючих сигналах) Fn
або тривалість періоду модуляції (при квазинеперервних зондуючих сигналах) Fc
;
5. Рівень небажаних (позасмугових та побічних) випромінювань;
6. Стабільність та точність установки частоти (фази), частотних (фазових) та часових параметрів модуляції зондуючих сигналів.
До основних конструктивних вимог відносяться:
1. Габарити, вага і особливості розміщення апаратури;
2. Забезпечення доступу до органів регулювання та елементам апаратури при їх заміні;
3. Механічна міцність та вібростійкість;
4. Склад комплекту, вид транспортування та ін.
До основних експлуатаціййних вимог належать:
1. Час неперервної роботи, включання та виключання, експлуатаційна надійність (коефіцієнт боєготовності, напрацювання на відмову);
2. Кліматичні умови (межі робочих температур, вологість, атмосферний тиск);
3. Мінімальна вартість серійного випуску та експлуатації;
4. Ремонтна здатність, максимальна безпечність обслуговування та ін.
3. Принцип побудови багатокаскадних передавальних пристроїв. Структурні схеми
Радіопередавальні пристрої сучасних РЛС будуються, як правило, за багатокаскадною схемою, яка складається зі збудника (або задаючого генератору) та каскадів підсилення. Багатокаскадні РПП в порівнянні з однокаскадними мають можливість керування частотою або фазою коливань, дозволяють отримувати більш високу стабільність несучої частоти або частотних параметрів сигналів складної структури, а також досить велику потужність вихідних коливань.
В багатокаскадних передавальних пристроях, відрізняючись від однокаскадних, є можливим розділення функцій стабілізації частоти, внутрішньоімпульсні модуляції та підсилення потужності між каскадами. Побудова багатокаскадних РПП виявилось можливим завдяки розробці потужних підсилювальних пристроїв: пролітних клістронів, ламп бігучої хвилі, амплітронів та ін. Багатокаскадні РПП використовуються при формуванні як неперервних, так і імпульсних зондуючих сигналів. У загальному вигляді схема багатокаскадного РПП імпульсної РЛС представляє собою:
Рис.4.
Багатокаскадний передавач включає в себе збудник, попередні каскади підсилення, передвихідний підсилювач потужності та вихідний підсилювач. На збудник накладається задача формування сигналів потрібної структури та забезпечення високої стабільності параметрів, зумовлюючих цю структуру. Потужність коливань збудника повинна бути достатньою для збудження попереднього підсилювача. Коливання підсилювача можуть бути стабілізовані кварцом, частота якого багаторазово помножується, наприклад, в транзисторно-баракторному колі. Помножувачі такого типу мають малі габарити та вагу, досить економічні та забезпечують високу стабільність частоти вихідного коливання. При необхідності у збуднику виконується фазова або частотна модуляція або маніпуляція. Збудник, в залежності від пред'явлених до нього вимог може" бути однокаскадним або багатокаскадним. Оскільки формування сигналів здійснюється на зниженій потужності, необхідний її рівень забезпечується підсилювальним колом, який складається з підсилювачів напруги та потужності. При розробці збудника на зниженій частоті у склад попереднього підсилювача РПП включають або множник частоти, або ємність.
Якщо РПП працює в- імпульсному режимі, то в залежності від рівня вихідної потужності імпульсна модуляція здійснюється або з вихідному каскаді, або також у проміжному підсилювачі. Якщо збудник виконаний на відносно високому рівні потужності, то імпульсна модуляція може виконуватися і в збуднику. Структурні схеми варіантів побудови ба-гатокаскадних РПП ми бачимо на рисунку 5 та 6.
Рис.5.
На рис.5. зображена структурна схема багатокаскадного РПП. Збудник передавача формує ФМ або ЧМ сигнал на НВЧ і включає в себе: кварцовий генератор, множник частоти, електронний перемикач, перетворювач частоти та формувальник ЧМ або ФМ сигналу.
Рис. 6.
Звичайно кварцовий генератор побудований на транзисторі та має декілька каскадів підсилення. Множник частоти також складається з декількох каскадів та будується на варикапах (варакторах). Між каскадами помноження включають транзисторні підсилювачі та фільтри. Перетворювач частоти може бути виконаний на напівпровідникових діодах, пролітних клістронах або ЛБХ. Формувач ЧМ/ФМ сигналів працює на проміжній частоті.
Якщо в якості перетворювача частоти використовується пролітний клістрон або ЛБХ, то ФМ/ЧМ сигнал після підсилення може бути поданий на перший анод клістрона або ЛБХ. В результаті амплітудної модуляції на виході клістрона або ЛБХ буде мати місце фазоманіпульований або частотно-модульований сигнал на НВЧ. Якщо в якості перетворювача частоти використовується пролітний клістрон, то відпадає потреба у фільтрі на виході перетворювача. Роль фільтра виконує резонатори клістрону, настроєні на відповідну частоту НВЧ коливань.
4. Вплив числа каскадів та їх параметрів на основні характеристики РПП
Багатокаскадні РПП сучасних РЛС представляють собою складні комплекси радіоелектронної апаратури, які складаються з елементів автоматики та цифрової обчислювальної техніки. Для зменшення спотворень, які з'являються завдяки високочастотним каскадам, підсилювальний тракт намагаються виконати таким чином, щоб забезпечити отримання рівномірної амплітудно-частотної характеристики в межах спектра частот сигналу, що підсилюється. З цією метою зменшують число каскадів в підсилювальному тракті шляхом використання потужного збудника або підсилювача з великим коефіцієнтом підсилення (клістронів та ЛБХ). Але ж пристрої, які мають великий коефіцієнт підсилення, мають відносно низький коефіцієнт корисної дії (ККД). Навпаки пристрої з великим ККД (амплітрони, ВУМ) мають малий коефіцієнт підсилення. Раціональним розміщення різних пристроїв в підсилюючому каскаді можна отримати великий коефіцієнт підсилення і високий ККД. Крім генераторних пристроїв, підсилюючий тракт складається з розв'язуючі пристрої (феритові вентилі), мостові схеми та інші елементи.
Рис. 7.
На рисунку 7. зазначено:
рN
- вихідна потужність;
рON
- потужність що підводиться;
КN
- коефіцієнт підсилення;
ηN
- ККД N го
каскаду;
dN
- затухання в розв'язувальному пристрої.
Як ми бачимо, в усіх випадках бажано мати якнайменшу кількість каскадів тракту N при завданій потужності збудника Рвх
вихідній потужності Рвих
та найбільший К
ККД підсилюючого тракту може бути знайдено, як відношення вихідної потужності Рвих
до суми потужностей р0
i
, які підводяться від джерела живлення до каскадів підсилення:
Потужності, які підводяться до каскадів підсилення, повинні рахуватися з урахуванням потужностей, що тратяться в елементах схеми імпульсних модуляторів, колах накалу, фокусуючих системах, пускорегулюючій апаратурі і т.д. Оскільки:
то, перетворюючи співвідношення (1), можна отримати
Коефіцієнт підсилення каскадів РПП звичайно задовольняє умові ki
>>1, коефіцієнт затухання в міжкаскадних розв'язуючих та узгоджуючих пристроях di
<< Звичайно ККД каскадів підсилення мають значення 0,2... 0,8.
Якщо у вихідному каскаді використовується пристрій з відносно малою величиною kN
(амплітрон або ВУМ) , то при kN-i
>>kN
, де і=1,2,З...N. На основі (2) можна прийняти приблизно :
Отриманий вираз показує, що з урахуванням прийнятих раніше умов, ККД усього підсилюючого тракту в основному визначається коефіцієнтом корисної дії вихідного та попередньокінцевого каскадів.
Тому в кінцевих каскадах доречно використовувати пристрої з високим ККД (амплітрони, ЛБХ "М"-типу ВУМ). В попередньокінцевих та проміжних каскадах доречно використовувати пристрої з великим коефіцієнтом підсилення.
5. Оцінка вимог до каскадів передавача
Ескізний розрахунок структурної схеми багатокаскадного радіолокаційного передавача зумовлює:
- визначення кількості каскадів високочастотного тракту передавача;
- вибір типів їх генераторних пристроїв;
- визначення вимог до модуляторів або до джерел живлення генераторних пристроїв.
Рис. 8.
Так як величина потужності вихідного сигналу в антені є заданою, то кількість каскадів високочастотного тракту знаходиться шляхом розподілення потужностей коливань між каскадами передавача.
6. Методи вимірювання і контролю основних параметрів
передавальних пристроїв при технічному обслуговуванні
Під технічним обслуговуванням розуміють комплекс операцій по підтримці працездатності або справності передавального пристрою при використанні за призначенням, очікуванні, зберіганні і транспортуванні. Технічне обслуговування передавальних пристроїв проводиться з метою:
1.Отримання достовірної інформації про технічний стан, працездатність та ефективність бойового використання;
2.Виявлення і негайного усунення причин, які можуть повести за собою відмови;
3.Перевірки технічного стану, виконання правил експлуатації, догляду, зберігання і умов бойового застосування.
Для досягнення останньої мети обов'язкові наступні види робіт:
1.Контрольно-перевірочні роботи, які полягають у вимірюванні та контролі
параметрів передавального пристрою і режимів його роботи з метою виявлення готовності до бойового застосування;
2.Налагоджувальні та регулювальні роботи, що направлені на підтримання основних параметрів на заданому рівні;
З.Профілактичні міроприємства, що забезпечують надійність передавального пристрою за рахунок своєчасного попередження відмов шляхом їх прогнозування та заміни елементів, що відпрацювали встановлені ресурси.
7. РЛС на твердотільних пристроях
Безперервно, починаючи з перших магнетронівдля використання в радіолокації проводились розробки НВЧ великої потужності, які володіли би високою надійністю та покращеними параметрами. Розробки ґрунтувалися на дослідженнях в області електронно-променевих, плазмових та феритових пристроїв, а також на вивченні об'ємних ефектів у напівпровідникових матеріалах. Генерування великої імпульсної та середньої потужності, необхідних для розв'язку задач радіолокації, було та залишається предметом найбільш значного технічного пошуку в радіоелектроніці.
Навіть для звичайних радіолокаційних систем з середніми параметрами необхідна імпульсна потужність порядку 100 кВт та середня потужність від 50 до 200 Вт. В залежності від призначення РЛС потужність яка потрібна на виході змінюється в самих широких межах, починаючи від малих потужностей невеликих переносних РЛС до величезних потужностей, необхідних для станцій контролю космічного простору та протиракетної оборони.
Базовий варіант твердотільної радіолокаційної системи може бути, в якому один твердотільний НВЧ генератор живить параболічну антену. Такий варіант використовується для малопотужних РЛС, але в більшості задач, які зустрічаються в радіолокації, необхідна імпульсна та середня потужність на один, два або три порядку більше отриманої за допомогою одного напівпровідникового генератора незалежно від його типу. Для отримання необхідної потужності потрібна сумісна робота великої кількості твердотільних генераторів, включених в тому чи іншому поєднанні*.
Для складання потужностей декількох генераторів розробник РЛС використовувати будь-який з двох основний видів їх складання. Генератори можна з'єднувати безпосередньо паралельно, утворюючи твердотільний еквівалент електронно-променевої лампи, або окремі генератори можна розподілити в апертурі ФАР з додаванням потужностей в просторі .
Принципи, покладені в сучасних РЛС, потребують мінімальної модифікації в тому випадку, коли безпосередньо замінити електронно-променеві НВЧ лампи відповідною кількістю твердотільних підсилювачів. Таке рішення представляє великий інтерес для деяких типів радіолокаційного обладнання, а також при модернізації застарілого обладнання для підвищення його надійності. Але з точки зору розробки нового обладнання цей варіант має ряд недоліків та обмежень :
1) з-за значних втрат в пристрої додавання потужностей знижуються ККД та вихідна потужність НВЧ генераторів;
2) вартість пристрою додавання потужності при великій потужності буде складати значну долю від вартості системи в цілому;
3) електронне відхилення променя антени може бути здійснене тільки за допомогою фазообертача великої потужності, 'Що також буде сприяти збільшенню втрат та зменшенню ККД;
4) при живленні антени потужним підсилювачем появляться втрати на розподілення поля в апертурі.
Одначе цей варіант володіє рядом переваг:
1) оскільки потрібний один приймальний пристрій, може бути застосовуватись лазер чи параметричний підсилювач, використання яких в антенній решітці зазвичай неможливо із-за економічних чинників;
2) твердотільні та електронно-променеві генератори можуть бути взаємозамінними для забезпечення резервування та поліпшення параметрів;
3) в випадку антен з механічним скануванням один генератор зручніше.
8. Вибір потужних НВЧ транзисторів
В потужних каскадах передавача з напівпровідникових пристроїв використовуються біполярні та польові транзистори. Біполярні транзистори використовуються від самих низьких частот до 10 ГГц. За потужними параметрами на частотах приблизно до 1,5 ГГц до них наблизились, а за багатьма іншими параметрами і випередили МДП-польові транзистори, а на частотах вище 5...б ГГц більш підходять польові транзистори з бар'єром Шоттки. Останні таку ж величину потужності, як у біполярних транзисторів, забезпечують на частотах приблизно в 3 рази більше. У транзисторів з бар'єром Шоттки верхня робоча частота доходить до 60 ГГц та вище.
Крім біполярних та польових транзисторів в каскадах передавачів використовуються ще ряд напівпровідникових пристроїв, таких як тиристори, діоди Ганна, лавинно-пролітні діоди, варикапи, варактори та тунельні діоди.
Відсутність кола накалу у транзисторів зумовлює їх негайну готовність до роботи. Низькі живлячі напруги різко зменшують надійність системи захисту обслуговуючого персоналу. В передавачах потужністю приблизно до 1 кВт повна заміна ламп транзисторами призводить до зменшення габаритів та маси.
Недоліки транзисторних передавачів перед усім пов'язані з високою вартістю потужних транзисторів із-за надзвичайно важкої технології їх виготовлення. Інші їхні недоліки в порівнянні з лампами визначаються малою потужністю одного транзистору і високою чуттєвістю їх до перевантажень .
В теперішній час вітчизняна промисловість та зарубіжні фірми випускають потужні генераторні транзистори як широкого використання, так і вузькоспеціалізовані. Це в першу чергу визначає діапазон робочих частот, який для перших і головним чином для других жорстко пов'язаних з їх призначенням.
Польові транзистори випускаються з затвором на основі p-n-переходу, з ізольованим затвором (МДП-транзистори) та з бар'єром Шоттки (ПТШ). Спочатку розглянемо МДП-транзистори, що забезпечують в порівнянні з першими набагато більші потужності, що генеруються. Польові МДП-транзистори вигідно відрізняються від біполярних завдяки ряду переваг. До перших з них можна віднести менший вплив температури на їх властивості внаслідок від'ємного температурного коефіцієнту струму стоку, а також відсутність вторинного пробою. Це значно підвищує їх експлуатаційну надійність, і зокрема дозволяє включати більшу кількість транзисторів паралельно. До переваг МДП-транзисторів можна віднести значно менший час включання та виключання, відсутність або значне послаблення процесів накопичування заряду, які визначають інерційну нелінійність транзисторів .
В польових транзисторах з бар'єром Шоттки інерційність процесів на один-два порядки менше, ніж у польових транзисторів з р-п-переходом та МДП-транзисторів. Крім того технологія виготовлення бар'єра Шоттки дозволяє зменшувати міжелектродні проміжки аж до субмікронних розмірів .
Висновки
На сучасному етапі розвитку науково-технічної думки вчені, які працюють в галузі промисловості, що займається розробками радіоелектронних пристроїв для комплексів та систем протиповітряної оборони, розробили потужні НВЧ-транзистори на основі яких стало можливим побудувати радіопередавальні пристрої якісно нового покоління. Ці радіопередавальні пристрої відповідають сучасним тактико-технічним характеристикам радіолокаційних станцій виявлення цілей, їх супроводження та наведення.
Як ми побачили, існує велика кількість різноманітних способів побудування багатоканальних передавальних пристроїв, що відповідають вимогам до передавальних систем РЛС. Кількість каскадів впливає на параметри та характеристики РПП за відомими законами.