Nadajnik radarowy
Zadania nadajnika radarowego
Nadajnik radaru generuje krótki impuls o wysokiej częstotliwości i dużej mocy. Następujące właściwości techniczne są wymagane od nadajnika radarowego:
- Nadajnik radarowy musi być w stanie wygenerować wymaganą moc RF z wymaganą mocą impulsu.
- Nadajnik radarowy musi mieć odpowiednią szerokość pasma RF.
- Nadajnik radarowy powinien wytwarzać moc RF z wystarczającą stabilnością częstotliwości, aby umożliwić dalsze przetwarzanie sygnału.
- Nadajnik radarowy powinien być łatwo modulowany, aby spełnić wymagania dotyczące kształtu impulsu.
- Nadajnik radarowy musi być wydajny, niezawodny w działaniu, łatwy w konserwacji, powinien mieć długą żywotność i niski koszt.
Rdzeniem przetwornika radarowego jest zawsze stopień wyjściowy dużej mocy, dlatego w tym rozdziale omówione zostaną głównie różne możliwości generowania mocy.
Samososcylujące generatory dużej mocy
Często stosowaną konstrukcją nadajnika jest oscylator samoscylujący, taki jak nadajnik magnetronowy, który jest przełączany impulsem wysokiego napięcia. Ten impuls wysokiego napięcia jako zasilanie nadajnika jest dostarczany przez specjalny modulator radarowy. Ten system nadajników nazywany jest również POT (Power Oscillator Transmitter). Jednostki radarowe z POT są albo niekoherentne, albo pseudokoherentne. (Termin koherencja ma istotne znaczenie przy pomiarze prędkości w radarze dopplerowskim).
Rysunek 1: Nadajnik pseudokoherentny z P-37.
Pokazana jest tu obudowa nadajnika z historycznego rosyjskiego radaru P-37 „Bar Lock”. Jest to typowy nadajnik (POT) z magnetronem jako oscylatorem dużej mocy, podającym swoją energię RF bezpośrednio do systemu falowodowego. Magnetron z silnymi magnesami stałymi można zobaczyć na środkowym poziomie obudowy nadajnika. Po prawej stronie znajduje się blok modulatora z tyratronem. W dolnej części znajduje się transformator impulsowy, łańcuch opóźniający z diodą ładującą oraz transformator wysokiego napięcia.
W radarze pracowało 5 takich szafek nadawczych, trzy zasilały dolną antenę, dwie górną. W celu chłodzenia, przez całą szafę przepływał strumień powietrza, którego wentylatory były przymocowane do zewnętrznej ściany szafy. Otwarcie drzwi szafy spowodowało wyłączenie wysokiego napięcia. Jeśli drzwi były otwarte bardzo szeroko, to urządzenie mechaniczne rozładowywało nawet zespoły wysokiego napięcia poprzez ich zwarcie.
Nadajnik jako wzmacniacz dużej mocy
Innym systemem jest PAT (Power-Amplifier-Transmitter). W tym systemie nadajnika impuls nadawczy jest generowany z małą mocą w generatorze funkcyjnym arbitralnym, a następnie doprowadzany do wymaganej mocy przez wzmacniacz (amplitron, klistron, lampa z falą bieżącą lub wzmacniacz półprzewodnikowy). Jednostki radarowe z PAT są w większości przypadków w pełni koherentne.
Szczególnym przypadkiem PAT jest antena aktywna, w której każdy pojedynczy element antenowy lub grupa elementów antenowych wyposażona jest we własny wzmacniacz.
Półprzewodnikowe moduły nadawczo-odbiorcze są atrakcyjnymi zespołami do projektowania radarów z aktywnymi antenami fazowanymi. Niemniej jednak, zastosowanie technologii lampowej jest nadal aktualne, głównie dlatego, że oferuje ona nawet znacznie wyższe spektrum mocy niż technologia półprzewodnikowa.
Przegląd
Poniższa tabela przedstawia porównanie konstrukcji przetworników stosowanych obecnie w technice radarowej:
| Technologia | Górna częstotliwość odcięcia | impuls/średnia moc | typowe wzmocnienie | typowa szerokość pasma | |
|---|---|---|---|---|---|
| POT | Magnetron | 95 GHz | 1 MW / 500 W )¹ | - | Stała…10% |
| Dioda impat | 140 GHz | 30 W / 10 W )¹ | - | Stała…5% | |
| Rozszerzony oscylator interakcyjny (EIO) | 220 GHz | 1 kW / 10 W )² | - | 0.2% (elec.) 4% (mech.) | |
| PAT | Helix lampa z falą bieżącą (TWT) | 95 GHz | 4 kW / 200 W )¹ | 40…60dB | jedna do kilku oktaw |
| Pętla pierścieniowa TWT | 18 GHz | 8 kW / 400 W )¹ | 40…60dB | 5…15% | |
| sprzężone rezonatory wnękowe TWT | 95 GHz | 100 kW / 25 kW )¹ | 40…60dB | 5…15% | |
| Klystron o rozszerzonej interakcji (EIK) | 280 GHz | 1 kW / 10 W )² | 40…50dB | 0.5…1% | |
| Klystron | 35 GHz | 50 kW / 5 kW )¹ | 30…60dB | 0.1…2% (stałe) 1…10% (mech.) | |
| Wzmacniacz pola krzyżowego (Amplitron) | 18 GHz | 500 kW / 1 kW )¹ | 10…20dB | 5…15% | |
| Półprzewodnik bipolarny silicon | 5 GHz | 300 W / 30 W )³ | 5…10dB | 10…25% | |
| Półprzewodnik typu GaAs | 30 GHz | 15 W / 5 W )¹ | 5…10 dB | 5…20% | |
Tabela 1: Technologie nadajników dla radarów impulsowych
Źródło: Tracy V. Wallace, Instytut Badawczy Georgia Tech, Atlanta, Georgia.